CN107290298A - 一种基于快速傅里叶变换检测混合气体的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于快速傅里叶变换检测混合气体的装置及方法，属于气体测量领域。本发明包括红外吸收模块与数据处理模块，其中：红外吸收模块包括顺次连接的红外光源、光纤集束器、吸收气室、和红外探测器，各红外光源的调制频率互不相同，调制频率互不相同的红外光源通过光纤连接至光纤集束器，经光纤集束器集束后射入同一吸收气室，经吸收气室多次反射后射出到达与数据处理模块相连的红外探测器，通过快速傅里叶变换获得各调制频率下的光谱响应并与标准吸收光谱比对进而获得混合气体中各组分浓度。本发明精简了检测装置体积，降低了成本，同时提高了检测精度与灵敏度，具有高效快捷的优势。
Description
技术领域
本发明属于气体测量技术领域，特别涉及一种基于快速傅里叶变换检测混合气体的装置及方法。
背景技术
近些年红外混合气体检测得到了越来越广泛的关注，许多化合物分子在红外波段都具有吸收带，且因物质的分子不同，吸收带所在的波长和吸收的强弱也不相同。根据吸收带分布情况与吸收的强弱能够识别物质分子的类型，从而能够得出物质的组成及组成成分的百分比。因而，红外混合气体检测在诸多领域中发挥着重要作用，包括：大气化学分析、工业过程控制、农业生产管理，城市环境质量检测、生命科学研究等。现有技术中利用测定特定气体对特定波长红外光的吸收响应来定量检测气体浓度的方法由来已久。其检测装置通常由红外辐射光源、吸收气室和红外探测器组成。红外辐射光源发出的红外光在吸收气室中被待测气体吸收然后到达红外探测器，通过红外探测器读出响应电压再进行相关计算即可得到待测气体的浓度。然而，现有混合气体检测装置往往需要一个红外辐射光源同时配备一个吸收气室和红外探测器来实现一种特定气体的检测。而这一点也就意味着如果需要同时检测多种气体则需要配备相同数量的红外辐射光源、吸收气室和红外探测器。而现阶段吸收气室与红外探测器价格较高，因此导致整个检测***成本高，同时也存在体积庞大的缺陷。因此，如何实现精简红外混合气体检测***及高效、低成本获取混合气体红外吸收响应成为本领域技术人员想要解决的技术问题。故而，亟需一种能够解决上述技术问题的方法。
发明内容
本发明提供一种基于快速傅里叶变换检测混合气体的装置及方法，使得调制频率互不相同的红外光源通过光纤集束器入射至同一吸收气室后到达红外探测器，而后结合FFT技术得到各调制频率下的光谱响应，进而获取各组分浓度。本发明精简了检测装置体积，降低了成本，同时提高了检测精度与灵敏度，具有高效快捷的优势。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一方面，本发明提供一种基于快速傅里叶变换检测混合气体的装置，包括红外吸收模块与数据处理模块，其中：红外吸收模块包括顺次连接的红外光源、吸收气室和红外探测器，所述红外光源、所述吸收气室与所述红外探测器设置于同一光轴上，其特征在于：红外光源的数目至少为两个以同时检测至少两种气体成分，各个红外光源的调制频率互不相同，调制频率互不相同的红外光源通过光纤连接至光纤集束器，经光纤集束器射入同一吸收气室，从吸收气室射出到达与数据处理模块相连的红外探测器，经过数据处理模块处理识别输出待检测混合气体的成分和测定待检测混合气体所包含成分的浓度。
进一步地，本技术方案中通过频率调制组件实现对红外光源的频率调制。
根据本发明实施例，本技术方案中频率调制组件可以由简单、低成本的小型光学斩波装置实现。
进一步地，本技术方案中光纤集束器可以将多路光纤的红外辐射光集束至同一光路。
进一步地，本技术方案中吸收气室可以是固定腔长气室，也可以是可调腔长气室，相对来说，后者能够实现待测气体对红外辐射光的充分吸收。
作为优选实施例，本技术方案中红外探测器为阵列型红外探测器。
另一方面，本发明提供一种基于快速傅里叶变换检测混合气体的方法，包括如下步骤：
步骤A：测量初始状态红外探测器响应电压V0；
吸收气室未通入待测混合气体，将各个红外光源的调制频率设定为0，开启所述红外光源使得各路红外辐射光通过光纤集束器入射至同一吸收气室，而后经吸收气室射出到达与数据处理模块相连的红外探测器，经过数据处理模块处理获取初始状态红外探测器响应V0；
步骤B：测量检测状态红外探测器响应电压V1；
吸收气室中通入待测混合气体，调节各个红外光源的调制频率互不相同，开启所述红外光源使得各路红外辐射光通过光纤集束器入射至同一吸收气室，而后经吸收气室射出到达与数据处理模块相连的红外探测器，经过数据处理模块处理获取检测状态红外探测器响应V1；
步骤C：计算各频率对应光谱响应R；
利用步骤A和步骤B得到的V0和V1进行快速傅里叶变换，从而获得各个调制频率下相对应的光谱响应R；
步骤D：测定待测混合气体的组分；
将步骤C得到的各光谱响应R分别与标准吸收光谱进行比对，即可获得待测混合气体的成分及待测混合气体所包含成分的浓度。
进一步地，本技术方案中通过频率调制组件实现对红外光源的频率调制。
根据本发明实施例，本技术方案中频率调制组件可以由简单、低成本的小型光学斩波装置实现。
进一步地，本技术方案中光纤集束器可以将多路光纤的红外辐射光集束至同一光路。
进一步地，本技术方案中吸收气室可以是固定腔长气室，也可以是可调腔长气室，相对来说，后者能够实现待测气体对红外辐射光的充分吸收。
作为优选实施例，本技术方案中红外探测器为阵列型红外探测器。
相比现有技术，本发明的有益效果是：
本发明通过将多个红外光源设置为互不相同的调制频率，巧妙结合快速傅里叶变换(FFT)计算各调制频率下的光谱响应值，进而检测得到混合气体中各成分及各成分的浓度，精简了吸收气室和红外探测器的使用量，进而有效解决了现有装置在检测多组分混合气体存在体积大、成本高的问题。另外，本发明在低浓度气体检测上具有比现有装置更高的检测精度和灵敏度，提高了检测装置的检测效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的检测装置示意图；
图2为本发明实施例提供的检测流程示意图。
图中：1为红外光源，2为频率调制组件，3为光纤，4为光纤集束器，5为吸收气室，6为红外探测器，7为数据处理模块。
具体实施方式
下文结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，本发明具体实施例提供了一种基于快速傅里叶变换检测混合气体的装置，包括：红外吸收模块和数据处理模块，其中：红外吸收模块包括顺次连接的红外光源1、吸收气室5和红外探测器6，所述红外光源1、所述气室5与所述红外探测器6设置于同一光轴上，其特征在于：红外光源1的数目至少为两个以同时检测至少两种气体成分，各个红外光源1的调制频率互不相同，调制频率互不相同的红外光源1通过光纤3连接至光纤集束器4，经光纤集束器4射入同一吸收气室5，从吸收气室5射出到达与数据处理模块7相连的红外探测器6，而后经过数据处理模块7处理识别输出待检测混合气体的成分和测定待检测混合气体所包含成分的浓度。
本发明实施例中，红外光源1在现有装置中通常采用小型激光器实现，优选为能够提供特定波长的窄带红外辐射；红外光源1的数目可以根据实际需求设置，本发明对此不做限制；
本发明实施例中，频率调制组件2为小型光学斩波器，可以将红外光源1出射的光按照特定频率进行斩波；在一些具体实施例中，各个斩波器的频率设置按照一定差值等差设置，如5Hz、10Hz、15Hz和20Hz，以方便后续操作计算，差值的大小不做限定，一般来说，差值较大有利于快速傅里叶变换的相关计算。
本发明实施例中，光纤3为普通宽光谱光纤，可以将通过频率调制组件2的红外辐射传输至光纤集束器4中；在一些具体实施例中，光纤3需要根据红外光源1的辐射波长来确定具体型号与尺寸。
本发明实施例中，光纤集束器4为4×1集束器，可以将4路光纤中的红外辐射集束到同一光路中，然后出射到吸收气室5的入射口中；在一些具体实施例中，由于红外光源1数量较多，光纤集束器4可以换置为6×1、12×1或者24×1等更多接入口的集束器。
本发明实施例中，吸收气室5为固定腔长吸收气室，一般采用赫里奥特光学吸收池，可以保证被测气体在吸收池内对红外辐射光进行有效吸收。在一些具体实施例中，吸收气室5会采用可调腔长吸收气室，一般采用怀特光学吸收池，通过调节吸收池的腔长来保证混合气体都可以进行很好的红外辐射吸收。作为优选实施方式，吸收气室5内壁镀有光滑、均匀的高反射膜层，使得射入光在吸收气室内多次反射后到达红外探测器6，这样可以增加有效吸收光路的光程。
本发明实施例中，本发明对红外探测器6的种类不做限定，通常采用阵列红外探测器，可以对由吸收气室5出射的红外辐射进行响应，红外探测器6与数据处理模块7相连，从而利用快速傅里叶变换(FFT)计算出各频率对应的光谱响应。
如图2所示，本发明具体实施例提供了一种基于快速傅里叶变换检测混合气体的方法，包括如下步骤：
步骤A：测量初始状态红外探测器响应电压V0；
吸收气室未通入待测混合气体，将各个红外光源的调制频率设定为0，开启所述红外光源使得调制频率均为0的各路红外辐射光通过光纤集束器入射至同一吸收气室后到达与数据处理模块7相连的红外探测器，经过数据处理模块7处理获取初始状态红外探测器响应V0；
步骤B：测量检测状态红外探测器响应电压V1；
吸收气室中通入待测混合气体，调节各个红外光源的调制频率互不相同，开启所述红外光源使得调制频率互不相同的各路红外辐射光通过光纤集束器入射至同一吸收气室后到达与数据处理模块7相连的红外探测器，经过数据处理模块7处理获取检测状态红外探测器响应V1；
步骤C：计算各频率对应光谱响应R；
利用步骤A和步骤B得到的V0和V1进行快速傅里叶变换，从而获得各个调制频率下相对应的光谱响应R；
步骤D：测定待测混合气体的组分；
将步骤C得到的各光谱响应R分别与标准吸收光谱进行比对，即可获得待测混合气体的成分及待测混合气体所包含成分的浓度。
利用红外吸收光谱法测定气体浓度是基于非对称结构分子对红外电磁辐射具有选择性吸收的特性而实现的一种定量或者定性分析的方法。根据红外理论，许多化合物分子在红外波段均存在一定的吸收峰，而吸收峰的强弱及所在波长是由其分子本身的结构决定。在现有的检测装置中均是根据红外光通过气体时，气体分子吸收光能量，在相应波长处产生光强的衰减，而衰减程度与气体浓度的大小有关，其关系符合朗伯比尔定律，如公式(1)所示：
I＝I0e-KCL
其中：I为射出光强度，I0为射入光强度，K为气体吸收系数，C为气体浓度，L为红外光透过气体的路程。
气体吸收系数K取决于气体特性，不同气体的吸收系数互不相同，对于同一种气体，K是吸收峰波长的函数，当待测气体种类一定时，K为一定值。当L一定时，只需测量射出光强度I即可确定待测气体浓度。由于光强易受外界环境的影响且不方便测量，因此，现有技术是采用红外探测器将光强的变化转换为电压的变化，实现对气体浓度的间接测量。
本发明的红外吸收模块中红外光源1与频率调制组件2一一连接，通过调节频率调制组件使得各红外光源的调制频率互不相同，然后通过光纤3连接，多路光纤的红外辐射光通过光纤集束器4集中到同一光路，光路进入吸收气室5，吸收气室5的数目只有一个，这一设置不仅精简了装置的体积而且达到高效、低成本的目的；吸收气室5内充有待检测混合气体，红外辐射光通过待检测混合气体时，各种气体分子吸收光能量，在相应波长处产生光强的衰减，而这一光学信号通过射出到达红外探测器6被转换为电学信号输出，本发明中红外探测器6与数据处理模块7相连，本发明巧妙将快速傅里叶变换运用于混合气体组分检测，将红外探测器6输出的电学信号通过快速傅里叶变化获得各调制频率下的光谱响应值，由于快速傅里叶变换能将一个信号的频谱提取，而后在频谱图上得到该信号在各频率下相对应的响应，因此，通过与标准吸收光谱进行比对，能够获得待测混合气体的成分及待测混合气体所包含成分的浓度。
根据本领域公知常识可知，快速傅里叶变换(FFT)是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的，在Matlab等数学工具中已有成熟的函数库可以调用，因而，通过快速傅里叶变化获得各调制频率下的光谱响应值R为本领域现有技术，在此不再赘述。
快速傅里叶变换(FFT)能够将一个信号由时域转换到频域，而这一转换的优势在于：有些信号在时域上不易识别，而转换到频域之后，就很容易识别。尤其是当信号比较微弱或者背景噪声干扰较大的时候，时域信号几乎已无法识别，但将其经过FFT转换获得的频域信号却可以很好被识别。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (10)
1.一种基于快速傅里叶变换检测混合气体的装置，包括红外吸收模块与数据处理模块，其中：红外吸收模块包括顺次连接的红外光源、吸收气室和红外探测器，所述红外光源、所述吸收气室与所述红外探测器设置于同一光轴上，其特征在于：红外光源的数目至少为两个以同时检测至少两种气体成分，各个红外光源的调制频率互不相同，调制频率互不相同的红外光源通过光纤连接至光纤集束器，经光纤集束器射入同一吸收气室，从吸收气室射出到达与数据处理模块相连的红外探测器，经过数据处理模块处理识别输出待检测混合气体的成分和测定待检测混合气体所包含成分的浓度。
2.根据权利要求1所述的一种基于快速傅里叶变换检测混合气体的装置，其特征在于，通过频率调制组件实现对红外光源的频率调制。
3.根据权利要求2所述的一种基于快速傅里叶变换检测混合气体的装置，其特征在于，频率调制组件为光学斩波装置。
4.根据权利要求1所述的一种基于快速傅里叶变换检测混合气体的装置，其特征在于，所述吸收气室为固定腔长气室或者可调腔长气室。
5.根据权利要求1所述的一种基于快速傅里叶变换检测混合气体的装置，其特征在于，所述红外探测器为阵列型红外探测器。
6.一种基于快速傅里叶变换检测混合气体的方法，包括如下步骤：
步骤A：测量初始状态红外探测器响应电压V0；
吸收气室未通入待测混合气体，设定各个红外光源的调制频率均为0，开启所述红外光源使得各路红外辐射光通过光纤集束器入射至同一吸收气室，而后经吸收气室射出到达与数据处理模块相连的红外探测器，经过数据处理模块处理获取初始状态红外探测器响应V0；
步骤B：测量检测状态红外探测器响应电压V1；
吸收气室中通入待测混合气体，调节各个红外光源的调制频率互不相同，开启所述红外光源使得各路红外辐射光通过光纤集束器入射至同一吸收气室，而后经吸收气室射出到达与数据处理模块相连的红外探测器，经过数据处理模块处理获取检测状态红外探测器响应V1；
步骤C：计算各频率对应光谱响应R；
利用步骤A和步骤B得到的V0和V1进行快速傅里叶变换，从而获得各个调制频率下相对应的光谱响应R；
步骤D：测定待测混合气体的组分；
将步骤C得到的各光谱响应R分别与标准吸收光谱进行比对，即可获得待测混合气体的成分及待测混合气体所包含成分的浓度。
7.根据权利要求6所述的一种基于快速傅里叶变换检测混合气体的装置，其特征在于，通过频率调制组件实现对红外光源的频率调制。
8.根据权利要求7所述的一种基于快速傅里叶变换检测混合气体的装置，其特征在于，频率调制组件为光学斩波装置。
9.根据权利要求6所述的一种基于快速傅里叶变换检测混合气体的装置，其特征在于，所述吸收气室为固定腔长气室或者可调腔长气室。
10.根据权利要求6所述的一种基于快速傅里叶变换检测混合气体的装置，其特征在于，所述红外探测器为阵列型红外探测器。
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