CN108195796A - 基于tdlas的飞机气体灭火剂浓度测量***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量***及方法，该***包括信号发生器、电流驱动器、温度控制器、量子级联激光器、合束器、He‑Ne激光器、通入待测气体的气体吸收池、碲镉汞MCT探测器、数据采集卡和上位机。与传统压差测量法相比，本发明不受背景气体的影响，具有灵敏度高、选择性好、响应速度快等优点，可以实现更高精度的测量。本发明的应用范围还可以扩展到其他含C‑F键的气体浓度检测。

Description

基于TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量***及方法
技术领域
本发明涉及气体检测及飞机防火技术领域，更具体地说，涉及一种基于TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量***及方法。
背景技术
气体灭火剂浓度测量是飞机防火***性能评估的一项重要实验，对于飞机防火***的设计、验证和改进有着重要意义。
目前，气体灭火剂浓度测量主要采用压差测量法。压差测量法使用真空泵抽吸空气和气体灭火剂的混合物，该混合物通过多孔状限流塞产生一定的压差，进而利用差压传感器测量到的压差值计算混合物中灭火剂的浓度。
但是，压差测量法的选择性较差，在测量过程中容易受到背景气体影响，导致测量结果不准确。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量***及方法，以解决压差测量法容易受到背景气体的干扰，导致测量结果不准确的问题。技术方案如下：
一种基于TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量***，包括：信号发生器、电流驱动器、温度控制器、量子级联激光器、合束器、He-Ne激光器、通入待测气体的气体吸收池、碲镉汞MCT探测器、数据采集卡和上位机，所述待测气体为飞机气体灭火剂三氟溴甲烷或者五氟乙烷或者其他含C-F键的气体；其中，
所述量子级联激光器的出光口朝向所述合束器，并且所述量子级联激光器的出射光与所述合束器呈45°夹角；所述He-Ne激光器的出光口朝向所述合束器，并且所述He-Ne激光器的出射光与所述合束器呈45°夹角；所述气体吸收池的入光口朝向所述合束器；
所述信号发生器与所述电流驱动器相连，用于将低频锯齿波扫描信号输入至所述电流驱动器中；
所述电流驱动器与所述量子级联激光器连接，用于向所述量子级联激光器输入低频锯齿波扫描电流；
所述温度控制器与所述量子级联激光器连接，用于对所述量子级联激光器进行恒定温度控制，其中，所述恒定温度为预先设置的；
所述量子级联激光器，用于发射覆盖所述待测气体最强吸收线的红外光；
所述He-Ne激光器，用于发射波长为633mm的可见红光；
所述合束器，用于将所述红外光和所述可见红光耦合为入射测量光束；
所述MCT探测器与所述数据采集卡连接，用于测量所述气体吸收池出光口的出射测量光束的激光强度，并将所述激光强度转换为电压信号、经前置放大后传输至所述数据采集卡，所述出射测量光束为所述入射测量光束经所述气体吸收池吸收后得到的光束；
所述数据采集卡与所述上位机连接，用于将前置放大后的所述电压信号发送至所述上位机；
所述上位机，用于将前置放大后的所述电压信号进行反演计算，得到所述待测气体的浓度及变化曲线。
优选的，当所述待测气体为所述三氟溴甲烷时，所述待测气体最强吸收线位于1207.729cm-1。
优选的，当所述待测气体为所述五氟乙烷时，所述待测气体最强吸收线位于1209.158cm-1。
优选的，所述量子级联激光器的出光口设置有准直器；所述准直器采用以ZnSe为基底并增加了宽带增透膜的平凸透镜。
优选的，所述合束器对波长为633nm的可见红光全反射，对8270-8280nm波段的中红外光透射率为80％左右。
优选的，所述气体吸收池的入光口和出光口的两侧窗片采用氟化钡材料。
优选的，还包括：设置于所述气体吸收池和所述MCT探测器之间的光阑。
优选的，还包括：
设置于所述光阑和所述MCT探测器之间的镀有金膜的离轴抛物面反射镜。
优选的，所述MCT探测器采用热电冷却方式进行低温去噪，可探测波长范围为2-12μm。
一种基TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量方法，应用于上述技术方案任意一项所述的基TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量***，所述方法包括：
所述信号发生器将低频锯齿波扫描信号输入至所述电流驱动器中；
所述电流驱动器向所述量子级联激光器输入低频锯齿波扫描电流；
所述温度控制器对所述量子级联激光器进行恒定温度控制，其中，所述恒定温度为预先设置的；
所述量子级联激光器发射覆盖所述待测气体最强吸收线的红外光；
所述He-Ne激光器发射波长为633mm的可见红光；
所述MCT探测器测量所述气体吸收池出光口的出射测量光束的激光强度，并将所述激光强度转换为电压信号、经前置放大后传输至所述数据采集卡，所述出射测量光束为所述入射光束经所述气体吸收池吸收后得到的光束，所述入射测量光束是由所述合束器将所述红外光和所述可见红光耦合得到的；
所述数据采集卡将前置放大后的所述电压信号发送至所述上位机；
所述上位机将前置放大后的所述电压信号进行反演计算，得到所述待测气体的浓度及变化曲线。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
以上本发明提供的一种基于TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量***及方法，与传统压差测量法相比，不受背景气体的影响，具有灵敏度高、选择性好、响应速度快等优点，可以实现更高精度的测量。本发明的应用范围还可以扩展到其他含C-F键的气体浓度检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量***的结构示意图；
图2示出三氟溴甲烷的傅里叶红外光谱图；
图3示出五氟乙烷的傅里叶红外光谱图；
图4a示出水蒸气的傅里叶红外光谱图；
图4b示出二氧化碳的傅里叶红外光谱图；
图5为本发明实施例提供的另一基于TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量***的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的再一基于TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量***的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种基于TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量方法的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
可调谐激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)：是一种基于郎伯比尔定律的气体检测技术，利用半导体激光器的波长调谐及窄线宽特性，对待测气体单个吸收线进行扫描，实现对气体的定量分析。利用可调谐激光吸收光谱技术进行气体浓度测试，具有非入侵性、选择性好、测量精度高、灵敏度高的优点，并且响应速度很快，可以进行实时监测及数据采集。
直接吸收法(Direct Absorption Spectroscopy，DAS)：属于可调谐激光吸收光谱技术的一种主要测量方法。使用低频三角波或锯齿波电流信号，实现波长在吸收线附近的扫描，经待测气体吸收后探测器输出的电压值将降低，对电压信号与对应的气体浓度进行拟合可以得到待测气体浓度的反演公式，直接吸收法适用于吸收强烈的测量环境。
根据飞机灭火***性能测试的需求，本实施例采用上述直接吸收法作为飞机气体灭火剂浓度测量***的测量方法。
图1示出一种基于TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量***的结构示意图(其中，箭头表示光的方向)，该***包括：信号发生器1、电流驱动器2、温度控制器3、量子级联激光器4、合束器5、He-Ne激光器6、通入待测气体的气体吸收池7、碲镉汞MCT探测器8、数据采集卡9和上位机10，所述待测气体为飞机气体灭火剂三氟溴甲烷或者五氟乙烷或者其他含C-F键的气体；其中，
量子级联激光器4的出光口朝向合束器5，并且量子级联激光器4的出射光与合束器5呈45°夹角；He-Ne激光器6的出光口朝向合束器5，并且He-Ne激光器6的出射光与合束器5呈45°夹角；气体吸收池7的入光口朝向合束器6。
温度和电流均对量子级联激光器4所输出红外光的波长存在影响，常用的调谐方式有电流控制技术和温度控制技术两种。相较于温度控制技术，电流控制技术的调谐速度更快、更精密，因此，本实施例中将量子级联激光器4保持于恒定的工作温度、通过电流扫描实现波长调谐。
而为了保护量子级联激光器4，其工作温度一般不超过15～45℃、扫描电流一般不超过0.45A。
目前，飞机气体灭火剂常采用三氟溴甲烷和五氟乙烷。图2示出三氟溴甲烷的傅里叶红外光谱图、图3示出五氟乙烷的傅里叶红外光谱图。由图2和图3可以看出：三氟溴甲烷最强吸收线位于1207.729cm-1(≈8280nm)，五氟乙烷最强吸收线位于1209.158cm-1(≈8270nm)。
对此，本实施例中可选取AdTech Optics公司生产的反馈分布式量子级联QCL-DFB(QuantumCascade Laser-Distributed Feedback)激光器，其中心波长位于8.28μm，具有8-10nm的扫描宽度。在待测气体为三氟溴甲烷时，温度设为25℃、电流扫描范围0.29-0.53A，可以实现对三氟溴甲烷在8280nm处的最强吸收线的扫描；而在待测气体为五氟乙烷时，温度设为15℃、电流扫描范围0.29-0.41A，可以实现对五氟乙烷在8270nm处的最强吸收线的扫描。
合束器5对波长为633nm的可见红光全反射，对8270-8280nm波段的中红外光透射率为80％左右。
本实施例采用了Wavelength Electronics公司生产的TC10LAB温控设备作为温度控制器3，给量子级联激光器4提供稳定的温度(15～45℃)。
在大气环境下进行测量时，背景气体中的水蒸气和二氧化碳的傅里叶红外如图4；其中，图4a为水蒸气的傅里叶红外光谱图，图4b为二氧化碳的傅里叶红外光谱图。可以看出，在大气环境中，背景气体中的水蒸气、二氧化碳在8280nm或者8270nm处并没有明显吸收，这有利于灭火剂的高精度测量。
为调节量子级联激光器4的扫描电流(0.29～0.53A)，本实施例采用了WavelengthElectronics公司生产的中红外激光器专用电流驱动设备QCL 1000LAB作为电流驱动器2。
此外，考虑到量子级联激光器4的发热，为保证***正常运行，可在其中设置散热器，比如，散热底座、风扇。
信号发生器1与电流驱动器2相连，用于将低频锯齿波扫描信号输入至电流驱动器2中；
电流驱动器2与量子级联激光器4连接，用于向量子级联激光器4输入低频锯齿波扫描电流；
温度控制器3与量子级联激光器4连接，用于对量子级联激光器4进行恒定温度控制，其中，所述恒定温度为预先设置的；
量子级联激光器4，用于发射覆盖待测气体最强吸收线的红外光；
量子级联激光器4的出光口设置有准直器；准直器采用以ZnSe为基底并增加了宽带增透膜的平凸透镜。
He-Ne激光器6，用于发射波长为633mm的可见红光；
本实施例中，可将He-Ne激光器6发出的可见红光作为指示光束，方便光路的搭建与调整。
合束器5，用于将红外光和可见红光耦合为入射测量光束；
MCT探测器8与数据采集卡9连接，用于测量气体吸收池出光口的出射测量光束的激光强度，并将激光强度转换为电压信号、经前置放大后传输至数据采集卡9，所述出射测量光束为入射测量光束经气体吸收池7吸收后得到的光束；
在实际测量过程中，为保证待测气体的稳定性，可预先在气体吸收池7中通入高纯氮气。并且，为了保证待测气体的吸收效果，气体吸收池7的入光口和出光口的两侧窗片采用氟化钡材料。
在实际测量过程中，MCT探测器70可采用热电冷却的方式进行低温去噪，探测范围为2-12μm。可以采用Vigo公司生产的碲镉汞光电探测器，其中还内置有半导体制冷器，并设有前置放大功能。
数据采集卡9与上位机10连接，用于将前置放大后的电压信号发送至上位机10；
本实施例中，数据采集卡9使用NI的PXIe-6341电压采集板卡，可以实现电压信号的高速采集，电压输入范围为±5V。
上位机10，用于将前置放大后的电压信号进行反演计算，得到待测气体的浓度及变化曲线。
在实际测量之前，可在气体吸收池中通入已知不同浓度的待测气体，并记录下MCT探测器输出的电压曲线。当测量某一未知浓度的待测气体时，上位机10可利用数据采集卡9采集的多个电压值生成测量曲线，进而从已记录下的电压曲线中筛选出与测量曲线最为接近的两个已知浓度的电压曲线，结合郎伯比尔定律计算待测气体的浓度及变化曲线。
为对进入MCT探测器8的激光进行减光，在其他一些实施例中，在图1示出的基于TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量***基础上，还包括设置于气体吸收池7和MCT探测器8之间的光阑11，结构示意图如图5所示。
在图5所示出的基于TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量***的基础上，为将光束聚焦在MCT探测器8的光敏面上，还包括设置于光阑11和MCT探测器8之间的镀有金膜的离轴抛物面反射镜12，结构示意图如图6所示。
本发明实施例所提供的基于TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量***，与传统压差测量法相比，不受背景气体的影响，具有灵敏度高、选择性好、响应速度快等优点，可以实现更高精度的测量。本发明的应用范围还可以扩展到其他含C-F键的气体浓度检测。
基于上述实施例提供的基于TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量***，本发明实施例还提供一种基于TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量方法，方法流程图如图7所示，包括如下步骤：
S10，信号发生器将低频锯齿波扫描信号输入至电流驱动器中；
S20，电流驱动器向量子级联激光器输入低频锯齿波扫描电流；
S30，温度控制器对量子级联激光器进行恒定温度控制，其中，所述恒定温度为预先设置的；
S40，量子级联激光器发射覆盖待测气体最强吸收线的红外光；
S50，He-Ne激光器发射波长为633mm的可见红光；
S60，MCT探测器测量气体吸收池出光口的出射测量光束的激光强度，并将激光强度转换为电压信号、经前置放大后传输至数据采集卡，所述出射测量光束为入射光束经气体吸收池吸收后得到的光束，所述入射测量光束是由合束器将红外光和可见红光耦合得到的；
S70，数据采集卡将前置放大后的电压信号发送至上位机；
S80，上位机将前置放大后的电压信号进行反演计算，得到待测气体的浓度及变化曲线。
本发明实施例所提供的基于TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量方法，与传统压差测量法相比，不受背景气体的影响，具有灵敏度高、选择性好、响应速度快等优点，可以实现更高精度的测量。本发明的应用范围还可以扩展到其他含C-F键的气体浓度检测。
以上对本发明所提供的一种基于TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量***及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量***，其特征在于，包括：信号发生器、电流驱动器、温度控制器、量子级联激光器、合束器、He-Ne激光器、通入待测气体的气体吸收池、碲镉汞MCT探测器、数据采集卡和上位机，所述待测气体为飞机气体灭火剂三氟溴甲烷或者五氟乙烷或者其他含C-F键的气体；其中，
所述量子级联激光器的出光口朝向所述合束器，并且所述量子级联激光器的出射光与所述合束器呈45°夹角；所述He-Ne激光器的出光口朝向所述合束器，并且所述He-Ne激光器的出射光与所述合束器呈45°夹角；所述气体吸收池的入光口朝向所述合束器；
所述信号发生器与所述电流驱动器相连，用于将低频锯齿波扫描信号输入至所述电流驱动器中；
所述电流驱动器与所述量子级联激光器连接，用于向所述量子级联激光器输入低频锯齿波扫描电流；
所述温度控制器与所述量子级联激光器连接，用于对所述量子级联激光器进行恒定温度控制，其中，所述恒定温度为预先设置的；
所述量子级联激光器，用于发射覆盖所述待测气体最强吸收线的红外光；
所述He-Ne激光器，用于发射波长为633mm的可见红光；
所述合束器，用于将所述红外光和所述可见红光耦合为入射测量光束；
所述MCT探测器与所述数据采集卡连接，用于测量所述气体吸收池出光口的出射测量光束的激光强度，并将所述激光强度转换为电压信号、经前置放大后传输至所述数据采集卡，所述出射测量光束为所述入射测量光束经所述气体吸收池吸收后得到的光束；
所述数据采集卡与所述上位机连接，用于将前置放大后的所述电压信号发送至所述上位机；
所述上位机，用于将前置放大后的所述电压信号进行反演计算，得到所述待测气体的浓度及变化曲线。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，当所述待测气体为所述三氟溴甲烷时，所述待测气体最强吸收线位于1207.729cm-1。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，当所述待测气体为所述五氟乙烷时，所述待测气体最强吸收线位于1209.158cm-1。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述量子级联激光器的出光口设置有准直器；所述准直器采用以ZnSe为基底并增加了宽带增透膜的平凸透镜。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述合束器对波长为633nm的可见红光全反射，对8270-8280nm波段的中红外光透射率为80％左右。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述气体吸收池的入光口和出光口的两侧窗片采用氟化钡材料。
7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，还包括：设置于所述气体吸收池和所述MCT探测器之间的光阑。
8.根据权利要求7所述的***，其特征在于，还包括：
设置于所述光阑和所述MCT探测器之间的镀有金膜的离轴抛物面反射镜。
9.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述MCT探测器采用热电冷却方式进行低温去噪，可探测波长范围为2-12μm。
10.一种基于TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量方法，其特征在于，应用于权利要求1～9任意一项所述的基于TDLAS的飞机气体灭火剂浓度测量***，所述方法包括：
所述信号发生器将低频锯齿波扫描信号输入至所述电流驱动器中；
所述电流驱动器向所述量子级联激光器输入低频锯齿波扫描电流；
所述温度控制器对所述量子级联激光器进行恒定温度控制，其中，所述恒定温度为预先设置的；
所述量子级联激光器发射覆盖所述待测气体最强吸收线的红外光；
所述He-Ne激光器发射波长为633mm的可见红光；
所述MCT探测器测量所述气体吸收池出光口的出射测量光束的激光强度，并将所述激光强度转换为电压信号、经前置放大后传输至所述数据采集卡，所述出射测量光束为所述入射光束经所述气体吸收池吸收后得到的光束，所述入射测量光束是由所述合束器将所述红外光和所述可见红光耦合得到的；
所述数据采集卡将前置放大后的所述电压信号发送至所述上位机；
所述上位机将前置放大后的所述电压信号进行反演计算，得到所述待测气体的浓度及变化曲线。
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