CN110261328A - 校准激光波长的方法及装置、气体浓度分析仪 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及校准激光波长的方法及装置以及气体浓度分析仪。该校准激光波长的方法包括：在第一时段将光源驱动电路的驱动信号设为第一驱动信号，以使得光源发射校准激光且信号处理电路得到第一二次谐波光谱，并基于第一二次谐波光谱得到波长偏差；及在第二时段将驱动信号设为第二驱动信号，以使得光源发射测量激光且信号处理电路得到第二二次谐波光谱，并根据第二二次谐波光谱得到待测气体的浓度；第一和第二驱动信号的正弦频率调制幅度分别为第一和第二幅度，第二驱动信号基于第一时段得到的波长偏差被校准，第一与第二幅度不同且是分别基于参考池和吸收池的气体参数设置的。

Description

校准激光波长的方法及装置、气体浓度分析仪
技术领域
本公开涉及气体浓度检测，具体来说，涉及利用激光测量痕量气体浓度。
背景技术
为了降低烟气排放中的氮氧化物(NOX)，燃煤电厂普遍采用选择性催化还原技术(SCR)或选择性非催化还原技术(SNCR)对排放的烟气进行脱硝处理。脱硝处理时，通常在烟气中注入氨水或尿素，使得主要成分氨气与氮氧化物发生化学反应，生成对环境无害的氮气和水汽。合理的控制氨注入量对于烟气脱硝处理至关重要，氨注入过少会导致氮氧化物转化效率过低，氨注入过量会导致过量氨气的产生，过量的氨气会逃出脱硝反应区，与工艺流程中产生的硫酸盐发生反应生成硫酸铵盐，铵盐会严重腐蚀下游烟气管道及其他设备，导致昂贵的维护费用。因此为了使烟气脱硝效率达到最优，同时降低氨气排放及消耗，必须对脱硝处理后烟气中残余的氮氧化物和逃逸的氨气浓度进行实时监控。
目前，有些分析仪采用激光来进行氨逃逸在线测量，例如采用近红外或中红外的可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，简称为TDLAS)。
然而，受环境温度变化以及激光器控制电路的噪声等因素的影响，激光器的输出波长会发生漂移，这会降低基于激光方法测量气体浓度的分析仪器的稳定性。因此存在着对激光波长进行校准的需求。
发明内容
本公开的目的之一是提供一种新型的用于校准激光波长的方法及装置、以及新型的气体浓度分析仪。
根据本公开的一个方面，提供了一种用于校准气体浓度分析仪中的激光的波长的方法，其特征在于，所述气体浓度分析仪包括光源、光源驱动电路、吸收池、参考池、探测器以及信号处理电路，其中所述光源被配置为根据来自所述光源驱动电路的驱动信号来发射激光，所述驱动信号为锯齿波叠加正弦调制的信号；所述吸收池被配置为容纳待测气体；所述参考池被配置为容纳已知浓度的参考气体，所述参考气体与所述待测气体的成分相同；所述探测器被配置为接收且将穿过所述吸收池和所述参考池的所述激光转换为代表所述激光的强度的电信号；以及所述信号处理电路被配置为接收所述探测器输出的电信号，并且基于所述电信号得到二次谐波光谱。所述方法包括：在第一时段，将所述光源驱动电路的所述驱动信号设置为第一驱动信号，以使得所述光源发射校准激光，所述探测器输出代表穿过吸收池和参考池的校准激光的强度的第一电信号，并且所述信号处理电路基于所述第一电信号得到第一二次谐波光谱，并基于第一二次谐波光谱来得到波长偏差；以及在第二时段，将所述光源驱动电路的所述驱动信号设置为第二驱动信号，以使得所述光源发射测量激光，所述探测器输出代表穿过吸收池和参考池的测量激光的强度的第二电信号，并且所述信号处理电路基于所述第二电信号得到第二二次谐波光谱，并根据第二二次谐波光谱得到待测气体的浓度。其中所述第一驱动信号的正弦频率调制幅度为第一幅度，所述第二驱动信号的正弦频率调制幅度为第二幅度并且所述第二驱动信号是基于第一时段得到的波长偏差而被校准的，第一幅度与第二幅度不同并且是分别基于所述参考池和所述吸收池的气体参数而设置的。
根据本公开的另一个方面，提供了一种用于校准气体浓度分析仪中的激光的波长的装置，其中所述气体浓度分析仪包括光源、光源驱动电路、吸收池、参考池、探测器以及信号处理电路，其中所述光源被配置为根据来自所述光源驱动电路的驱动信号来发射激光，所述驱动信号为锯齿波叠加正弦调制的信号；所述吸收池被配置为容纳待测气体；所述参考池被配置为容纳已知浓度的参考气体，所述参考气体与所述待测气体的成分相同；所述探测器被配置为接收且将穿过所述吸收池和所述参考池的所述激光转换为代表所述激光的强度的电信号；以及所述信号处理电路被配置为接收所述探测器输出的电信号，并且基于所述电信号得到二次谐波光谱。所述装置包括：校准部件，所述校准部件在第一时段将所述光源驱动电路的所述驱动信号设置为第一驱动信号，以使得所述光源发射校准激光，所述探测器输出代表穿过吸收池和参考池的校准激光的强度的第一电信号，并且所述信号处理电路基于所述第一电信号得到第一二次谐波光谱，并且所述校准部件基于第一二次谐波光谱来得到波长偏差；以及测量部件，所述测量部件在第二时段将所述光源驱动电路的所述驱动信号设置为第二驱动信号，以使得所述光源发射测量激光，所述探测器输出代表穿过吸收池和参考池的测量激光的强度的第二电信号，并且所述信号处理电路基于所述第二电信号得到第二二次谐波光谱，并且所述测量部件根据第二二次谐波光谱得到待测气体的浓度。其中所述第一驱动信号的正弦频率调制幅度为第一幅度，所述第二驱动信号的正弦频率调制幅度为第二幅度并且所述第二驱动信号是基于所述校准部件得到的波长偏差而被校准的，第一幅度与第二幅度不同并且是分别基于所述参考池和所述吸收池的气体参数而设置的。
根据本公开的另一个方面，提供了一种用于校准气体浓度分析仪中的激光的波长的装置，其包括：一个或更多个处理器；以及一个或更多个存储器，被配置为存储一系列计算机可执行指令，其中所述一系列计算机可执行指令在由所述一个或更多个处理器运行时使得所述一个或更多个处理器执行上述的方法。
根据本公开的另一个方面，提供了一种非暂态的计算机可读介质，其上存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由一个或更多个处理器运行时使得所述一个或更多个处理器执行上述的方法。
根据本公开的另一个方面，提供了一种气体浓度分析仪，其包括：光源驱动电路；光源，被配置为根据来自所述光源驱动电路的驱动信号来发射激光，所述驱动信号为锯齿波叠加正弦调制的信号；吸收池，被配置为容纳待测气体；参考池，被配置为容纳已知浓度的参考气体，所述参考气体与所述待测气体的成分相同；探测器，被配置为接收且将穿过所述吸收池和所述参考池的所述激光转换为代表所述激光的强度的电信号；以及信号处理电路，被配置为接收所述探测器输出的电信号，并且基于所述电信号得到二次谐波光谱。其中，所述信号处理电路还包括上述的装置或者上述的计算机可读介质。
在一些实施例中，所述光源包括发射中红外波段的激光的连续波中红外量子级联激光器。在一些实施例中，所述连续波中红外量子级联激光器包括分布反馈式连续波量子级联激光器或外腔式连续波量子级联激光器。
在一些实施例中，所述吸收池为长度在20cm到40cm的范围内的单光程吸收池。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得更为清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1示出了根据本公开一些示例性实施例的气体浓度分析仪的示意性框图。
图2示出了波长调制光谱技术中调制系数m与2f光谱信号的正向强度P之间的关系。
图3示出了根据本发明一些示例性实施例的用于校准气体浓度分析仪中的光源发射的激光的波长的方法的示例性流程图。
图4示出了根据本发明一些示例性实施例的用于校准气体浓度分析仪中的光源发射的激光的波长的装置的基本配置的框图。
图5是示出可以实现根据本发明的实施例的计算设备的示例性配置图。
注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在一些情况中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，本公开并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。而且，附图不必按比例绘制，一些特征可能被放大以示出具体组件的细节。
具体实施方式
下面将参照附图来详细描述本公开的各个示例性实施例。应注意到：以下对各个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，绝不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。也就是说，本文中的结构及方法是以示例性的方式示出，来说明本公开中的结构和方法的不同实施例。然而，本领域技术人员将会理解，它们仅仅说明可以用来实施的本公开的示例性方式，而不是穷尽的方式。此外，除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
如上述背景技术中所讨论的，在采用激光进行测量的气体浓度分析仪中，由于受环境温度变化以及控制电路的噪声等因素的影响，输出的激光波长会发生漂移，这会降低基于激光方法测量气体浓度的分析仪器的稳定性和准确度。
为了提高激光测量的准确度，提出了很多校准激光波长的方案。在一些方案中，单独设置一条光路来专门用于测量参考吸收池中已知浓度的参考气体，以确定波长漂移量，从而对光源控制进行相应的补偿来校准激光波长。然而，这增加了***的复杂度。本申请的发明人提出了一种新型的解决方案来校准激光波长，其采用波长调制光谱技术来检测气体浓度，将参考池与实际测量用的吸收池置于同一条检测光路中，通过对激光使用不同的正弦信号频率调制幅度来分别获得参考气体的2f光谱和待检测气体的2f光谱，从而可以利用参考气体的2f光谱来校准激光波长，提高待检测气体的2f光谱的准确性。
为了更全面、清楚地理解本发明，下面将结合附图来详细描述根据本发明的校准激光波长的方法及装置、气体浓度分析仪的结构及其工作原理。本领域技术人员均能理解，本发明并不限于图中所示结构，而是能够根据其工作原理改编适用于其它气体浓度分析仪结构。例如，图中示出的气体浓度分析仪以及光源的构造、安装和相对位置的布置都只是示例性的而非限制性的，本发明可以适用于或者经过简单修改而适用于任何适当的气体浓度分析仪和光源的构造、安装和布置。虽然下文中会主要以氨逃逸检测为例来讨论本发明的气体浓度分析仪，但是本领域技术人员均理解，本发明并不限于此，而是可以根据其工作原理适用于任何有相同需求的其它气体浓度分析仪。
图1示出了根据本公开一些示例性实施例的气体浓度分析仪的示意性框图。应注意，实际的气体浓度分析仪可能还存在其它部件，而为了避免模糊本发明的要点，附图没有示出且本文也不去讨论其它部件。
如图1所示，该气体浓度分析仪包括光源110、吸收池120、参考池130、探测器140、信号处理电路150和光源驱动电路160。请注意，图中实线箭头表示光线的路径，而虚线箭头表示模块之间电气或机械地耦接。
在一些实施方式中，该气体浓度分析仪还可以包括位于测量光路上的各种光学组件，例如透镜、反射镜等，用于使光源110发射的激光更好地穿过吸收池120和参考池130而到达探测器140。
图1中的光源驱动电路160在信号处理电路150的控制下向光源110提供驱动信号(例如驱动电流)，以便控制光源110发射的激光的波长。在本发明中，采用波长调制技术来测量气体浓度，因此驱动信号为锯齿波叠加正弦调制的信号。
在一些实施方式中，光源110可以发射中红外波段的激光，例如，包括连续波中红外量子级联激光器(Quantum Cascade Laser，可简写为QCL)，其包括分布反馈式连续波量子级联激光器(Distributed Feedback Continuous Wave Quantum Cascade Laser，可简写为DFB-CW QCL)，其通常可以输出较窄的光谱，或者外腔式连续波量子级联激光器(External Cavity Continuous Wave Quantum Cascade Laser，可简写为EC-CW QCL)，其通常是宽谱可调谐的，可以在较宽的频率范围内快速改变波长。此时，采用中红外波段的激光来进行测量，从而与近红外光相比，可以选择气体分子在中红外波段的高强度吸收谱线，同时大大减少水汽或其他分子等吸收的干扰。本领域技术人员均能明白，本发明的原理不限于中红外激光测量，也可以用于近红外激光测量。
光源110发射的激光穿过吸收池120和参考池130，并且被其中的气体吸收，然后到达探测器140。吸收池120容纳待测气体，参考池130容纳已知浓度的参考气体，其中参考气体与待测气体的成分相同，例如为氨气和/或一氧化氮。请注意，虽然图1中示出了吸收池120和参考池130的具***置关系，但本领域技术人员均明白本发明不限于此，而是只要吸收池120和参考池130位于光源与探测器之间的同一条测量光路上即可。
在一些实施方式中，吸收池120可以为内表面镀特氟龙(Teflon，一种聚四氟乙烯材料)涂层的不锈钢吸收池。吸收池120的温度可以在大约室温到300℃的范围内。例如，可以通过在吸收池120的外表面使用加热片进行加热来控制温度。这对于火电厂氨逃逸在线测量的应用场景下特别有利，因为可以降低氨气吸附。
另外，在中红外激光测量的一些实施方式中，本发明的气体浓度分析仪还可以使用单光程吸收池，相比于现有技术的多通池(长光程吸收池)，单光程吸收池不需要用于多次反射的精密光学元件以及对其的经常性清洗和重新对光，因此使用单光程吸收池降低了成本和维护难度。在一些实施方式中，单光程吸收池的长度可以在20cm到40cm的范围内。选择以上长度在检测NH3和NO的情况下是特别有利的，其既能够满足测量NH3和NO的精度，也能实现测量仪器小型化的需求。
在一些实施方式中，吸收池和参考池的两端可以由楔形镀增透膜的氟化钙窗片和/或楔形镀增透膜的硒化锌窗片密封。窗片的材料和镀膜不限于此，而是可以根据待检测气体的成分来选择。
接着，如图1所示，探测器140接收该激光并且把激光的强度转换为电信号，例如电压信号。在一些实施方式中，该探测器140可以为光电二极管。
然后信号处理电路150接收探测器140输出的电信号，并且利用该电信号得到二次谐波光谱。通过分析二次谐波光谱可以得到相关气体的浓度。
波长调制光谱技术检测气体浓度的基本原理简单描述如下：
根据Lambert-Beer定律，频率为v的激光穿过待检测的吸收气体后，透射光强为
It(v)＝I0(v)exp(-SφvNL)＝I0(v)exp(-α(v))
上式中I0为入射光强，S为吸收谱线跃迁强度，φv为吸收谱线线形函数，N为气体分子数密度，L为吸收光程，α＝SφvNL为吸收度。为了调谐激光波长以覆盖待测气体吸收谱线，根据本发明一些实施例的检测***采用了低频扫描信号叠加高频调制信号的方式调谐激光器电流。受高频调制的激光经过气体吸收池后进入探测器，探测器信号被锁相放大器解调后可以获得二次谐波信号(2f)。2f信号与气体的吸收相关，利用已知浓度气体的2f信号作为标准曲线，基于最小二乘法拟合待测气体的2f信号，即可高精度的反演出气体浓度。
另外，如图1所示，根据本发明的信号处理电路150还可以包括波长校准装置，其可以检测出光源输出的激光波长的偏移并在检测时进行校准，从而精确控制检测时的激光波长。
下面将结合图2-4来详细描述根据本发明的波长校准方法和装置。
如前所述，本发明采用波长调制光谱技术来检测气体浓度，将参考池与实际测量用的吸收池置于同一条检测光路中，通过对激光使用不同的正弦信号频率调制幅度来分别获得参考气体的2f光谱和待检测气体的2f光谱，从而可以利用参考气体的2f光谱来校准激光波长，提高待检测气体的2f光谱的准确性。
具体而言，在波长调制技术中，激光器的驱动信号为低频锯齿波叠加高频正弦波，从而使得产生的激光在吸收光谱谱线频率处发生扫描和调制。激光瞬时频率ν可以由下面公式表示：
其中为激光频率的平均值，a为调制幅度，其正比于正弦波频率调制幅度，ω为调制信号的频率。
另外，定义了调制系数m＝a/Δν，其中Δν为吸收谱线的半高全宽。如图2所示，在波长调制光谱技术中，通过三种线形函数(洛伦兹、多普勒和佛克脱线形)获得的2f光谱中吸收峰的正向强度P与调制系数m之间存在函数关系(图中P值为归一化值，无单位)，例如，当m为2.2左右时，P值最大。当参考池和吸收池中的气体的吸收谱线的半高全宽Δν不同时，可以通过在不同时段(例如校准时段和测量时段)分别设置针对参考气体和待测气体的不同的调制幅度值a，来使得分别对于参考气体和待测气体的m为2.2左右，从而使各自的P值最大，因此分别测量得到参考气体和待测气体的最优的2f光谱信号。在一些情况下，也可以通过在不同时段(例如校准时段和测量时段)分别设置不同的调制幅度值a，来使得在同一个时段对于参考气体和待测气体的m差异较大，从而P值差异也较大，以致于其中一种气体的吸收峰对另一种气体的吸收峰形状基本无影响，因此可以避免参考气体和待测气体之间的互相干扰，而可以只检测其中一种气体的吸收峰。而采用与待测气体成分相同的参考气体还可以提高零气光谱或低浓度待测气体的测量准确度。
由于分子跃迁频率在测量过程中不变化，因此当激光器的波长漂移时，测量气体的2f光谱的吸收峰中心位置也会相应地漂移，由此在一些实施例中可以将参考气体的吸收峰中心位置的漂移量作为反馈控制量来调节激光器的波长。特别是由于激光器对于驱动电流的响应较快，因此可以利用在校准时段测量得到的吸收峰中心位置的漂移量来调节激光器的驱动电流的幅值或扫描范围，从而校准激光波长。
另外，可以通过改变参考池和吸收池的气体参数(例如气体压强、温度、参考气体浓度、参考池中的气体混合比例等)来改变吸收谱线的半高全宽Δν。
图3是示出了根据本发明一个示例性实施例的用于校准激光的波长的方法300的示例性流程图。
如图3所示，该波长校准方法300至少包括步骤310-320。具体而言，在步骤310中，在第一时段，将光源驱动电路的驱动信号设置为第一驱动信号，以使得光源发射校准激光，探测器输出代表穿过吸收池和参考池的校准激光的强度的第一电信号，并且信号处理电路基于第一电信号得到第一二次谐波光谱，该二次谐波光谱反映了参考池中的参考气体的二次谐波光谱，由此可以基于第一二次谐波光谱得到波长偏差。例如，在一些实施方式中，可以利用第一二次谐波光谱获得当前与激光器波长相关的参数，再比较该参数与起始设定参数的偏差，由此获得波长偏差，并可以实现波长反馈控制，从而校准波长。本领域技术人员均明白，本发明并不限制获得波长偏差的方式以及之后反馈控制校准波长的方式。
然后，在步骤320中，在第二时段，开始正式测量，将光源驱动电路的驱动信号设置为第二驱动信号，以使得光源发射测量激光，探测器输出代表穿过吸收池和参考池的测量激光的强度的第二电信号，并且信号处理电路基于第二电信号得到第二二次谐波光谱，该二次谐波光谱对应吸收池内气体的二次谐波光谱，根据此二次谐波光谱得到待测气体的浓度。
其中第一驱动信号的正弦频率调制幅度为第一幅度，第二驱动信号的正弦频率调制幅度为第二幅度并且第二驱动信号是基于第一时段得到的波长偏差而被校准的，第一幅度与第二幅度不同并且是基于参考池和吸收池的气体参数而设置的。
在一些实施方式中，待测气体包括氨气，二次谐波光谱至少覆盖在9.04μm到9.09μm或8.889μm到8.936μm的范围内的波长，和/或待测气体包括一氧化氮，二次谐波光谱至少覆盖在5.14μm到5.19μm的范围内的波长。可以分开单独测量这两种气体，或者可以在光源中采用两个激光器分别发射针对氨气和一氧化氮的激光来同时测量两种气体的浓度，或者可以用一个激光器扫描经过这两种气体的吸收谱来同时测量。
在一些实施方式中，第一幅度被设置为使得第一二次谐波光谱中对应于参考气体的吸收峰值强度为对应于待测气体的吸收峰值强度的5倍或更大(或者10倍或更大)，和/或第二幅度被设置为使得第二二次谐波光谱中对应于待测气体的吸收峰值强度为对应于参考气体的吸收峰值强度的5倍或更大(或者10倍或更大)。
在一些实施方式中，第一幅度被设置为最优化第一二次谐波光谱中对应于参考气体的吸收峰值强度(即，如图2所示，将对于参考气体的m值设为2.2左右)，和/或第二幅度被设置为最优化第二二次谐波光谱中对应于待测气体的吸收峰值强度(即，如图2所示，将对于待测气体的m值设为2.2左右)。
在一些实施方式中，第一幅度与第二幅度是基于参考气体和待测气体的吸收谱线的半高全宽而设置的。
在一些实施方式中，如上所述，气体参数包括吸收池和参考池的压强或温度、参考气体的浓度、和/或参考池中的参考气体与环境气体的混合比例。
在一些实施方式中，该方法300还可以包括在第一时段和/或第二时段调节参考池的一个或多个气体参数以改变参考气体的吸收谱线的半高全宽。这样在一些情况下可进一步提高参考气体与待测气体的2f光谱区分度。
在一些实施方式中，如前所述，待测气体可以为经过脱硝处理而排放的烟气中的氨气，而参考池容纳的是混合的已知浓度的氨气和氮气。此时，吸收池的压强可以为大气压，参考池的压强可以小于大气压。
图4是示出了根据本发明一些示例性实施例的用于校准气体浓度分析仪中激光波长的装置(如图1所示的波长校准装置)的基本配置的框图。如图4所示，该波长校准装置400包括：校准部件402和测量部件404。如前所述，在一些实施方式中，除了波长校准装置400之外，图1中的信号处理电路150还可以包括锁相放大器、滤波器和数据采集处理电路，其中锁相放大器对从探测器140输入的信号进行解调，再由滤波器进行滤波，然后由数据采集处理电路(例如数据采集卡)变成一组数字信号，从而得到2f光谱信号。
具体而言，校准部件402在第一时段将光源驱动电路的驱动信号设置为第一驱动信号，以使得光源发射校准激光，探测器输出代表穿过吸收池和参考池的校准激光的强度的第一电信号，并且信号处理电路基于第一电信号得到第一二次谐波光谱，并且校准部件402基于第一二次谐波光谱得到波长偏差。
测量部件404在第二时段将光源驱动电路的驱动信号设置为第二驱动信号，以使得光源发射测量激光，探测器输出代表穿过吸收池和参考池的测量激光的强度的第二电信号，并且信号处理电路基于第二电信号得到第二二次谐波光谱，并且测量部件404根据第二二次谐波光谱得到待测气体的浓度。
如前面已经讨论的，第一驱动信号的正弦频率调制幅度为第一幅度，第二驱动信号的正弦频率调制幅度为第二幅度并且第二驱动信号是基于校准部件得到的波长偏差而被校准的，第一幅度与第二幅度不同并且是分别基于参考池和吸收池的气体参数而设置的。其余细节或变型可以参考前面结合图1-3所述的。
本领域技术人员应当理解，波长校准装置400所包含的部件可以不限于上述部件402-404，而是可以包括用于实现根据本发明实施例的前述方法的其他步骤的部件。波长校准装置400的各个部件可以由硬件、软件、固件或其任意组合来实现。另外，本领域技术人员也应当理解，波长校准装置400的各个部件可以根据需要被组合或分割成子部件。波长校准装置400的上述各个部件不限于上述的各个功能，而是可以实现如前所述的根据本发明实施例的各种方法的相应步骤的功能。
前面结合图1到图4描述的本发明的技术尤其适用于工业现场氮氧化物和氨逃逸在线测量，但是，本领域技术人员均能理解，本发明的应用不限于此，而是可以适用于或简单修改后适用于各种气体浓度的测量。
图5示出了可以实现根据本发明的实施例的计算设备2000的示例性配置。计算设备2000是可以应用本发明的上述方面的硬件设备的实例。计算设备2000可以是被配置为执行处理和/或计算的任何机器。计算设备2000可以是但不限制于微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)、工作站、服务器、台式计算机、膝上型计算机、平板计算机、个人数据助手(PDA)、智能电话、车载计算机或以上组合。前述用于校准气体浓度分析仪中的激光器的波长的装置或波长校准装置110均可以全部或至少部分地由上述计算设备2000或与其相似的设备或***实现。该计算设备2000还可以同时实现信号处理电路的其他功能，例如前述的计算得到待测气体的浓度的操作，在一些实施方式中，例如包括根据已知标准浓度的2f信号与所获得的2f信号的线性关系，利用最小二乘法拟合得到线性相关系数，然后计算得到待检测的气体的浓度。在一些实施方式中，该计算设备2000还可以同时实现对驱动电路103的控制功能，例如控制驱动电路103提供的电流驱动信号的波形和幅值，和/或根据波长偏移信息的反馈来调整驱动电路103提供的电流驱动信号。
如图5所示，计算设备2000可以包括可能经由一个或多个接口与总线2002连接或通信的一个或多个元件。例如，计算设备2000可以包括总线2002、一个或多个处理器2004、一个或多个输入设备2006以及一个或多个输出设备2008。总线2002可以包括但不限于，工业标准架构(Industry Standard Architecture，ISA)总线、微通道架构(Micro ChannelArchitecture，MCA)总线、增强ISA(EISA)总线、视频电子标准协会(VESA)局部总线、以及外设组件互连(PCI)总线等。一个或多个处理设备2004可以是任何种类的处理器，并且可以包括但不限于一个或多个通用处理器或专用处理器(诸如专用处理芯片)。输入设备2006可以是能够向计算设备输入信息的任何类型的输入设备，并且可以包括但不限于鼠标、键盘、触摸屏、麦克风和/或远程控制器。输出设备2008可以是能够呈现信息的任何类型的设备，并且可以包括但不限于显示器、扬声器、视频/音频输出终端、振动器和/或打印机。计算设备2000还可以包括或被连接至非暂态存储设备2010，该非暂态存储设备2010可以是任何非暂态的并且可以实现数据存储的存储设备，并且可以包括但不限于盘驱动器、光存储设备、固态存储器、软盘、柔性盘、硬盘、磁带或任何其他磁性介质、压缩盘或任何其他光学介质、ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)、缓存存储器和/或任何其他存储芯片或模块、和/或计算机可以从其中读取数据、指令和/或代码的其他任何介质。非暂态存储设备2010可以与任何接口可拆卸地连接。非暂态存储设备2010可以具有存储于其上的、用于实现前述用于校准气体浓度分析仪中的激光器的波长的方法和/或步骤的数据/指令/代码。计算设备2000还可以包括通信设备2012，该通信设备2012可以是能够启用与外部装置和/或网络通信的任何种类的设备或***，并且可以包括但不限于调制解调器、网络卡、红外线通信设备、无线通信设备和/或芯片集(诸如蓝牙TM设备、1302.11设备、WiFi设备、WiMax设备、蜂窝通信设施等)。
计算设备2000还可以包括工作存储器2014。该工作存储器2014可以是能够存储对于处理器2004有用的指令和/或数据的任何类型的工作存储器，并且可以包括但不限于随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。
位于上述工作存储器上的软件元件可以包括但不限于操作***2016、一个或多个应用程序2018、驱动器和/或其他数据和代码。上述一个或多个应用程序2018可以包括用于执行如上所述的用于校准气体浓度分析仪中的激光器的波长的各方法及各步骤的指令。可以通过读取和执行一个或多个应用程序2018的处理器实现前述的气体浓度分析仪中的波长校准装置400的部件/单元/元件。更具体地，例如，前述波长校准装置400中的校准部件402可以由处理器2004在执行具有用于执行图3的步骤310的指令的应用程序2018时实现。此外，例如，前述波长校准装置400中的测量部件404可以由处理器2004在执行具有用于执行步骤320的指令的应用程序2018时实现。前述波长校准装置400中的其它各个部件也可以用类似的方式实现。软件元件的指令的可执行代码或源代码可以存储在非暂态计算机可读存储介质(诸如如上所述的存储设备2010)中，并且可以通过编译和/或安装读入工作存储器2014中。还可以从远程位置下载软件元件的指令的可执行代码或源代码。
应当理解，可以根据特定要求进行变型。例如，可以使用定制的硬件和/或特定元件可以以硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任何组合的方式实现。此外，可以采用与其他计算设备(诸如网络输入/输出设备)的连接。例如，本发明的方法和设备中的一些或全部可以根据本发明通过使用汇编语言编程硬件(例如，包括现场可编程门阵列(FPGA)和/或可编程逻辑阵列(PLA)的可编程逻辑电路)或逻辑和算法的硬件编程语言(例如VERILOG，VHDL，C++)来实现。
应当进一步理解，计算设备2000的元件可以分布在整个网络上。例如，可以在使用一个处理器执行一些处理的同时，使用其他远程处理器执行其他处理。计算机***2000的其他元件也可以类似地分布。因此，计算设备2000可以被理解为在多个地点执行处理的分布式计算***。
可以通过许多方式来实施本发明的方法和设备。例如，可以通过软件、硬件、固件、或其任何组合来实施本发明的方法和设备。上述的方法步骤的次序仅是说明性的，本发明的方法步骤不限于以上具体描述的次序，除非以其它方式明确说明。此外，在一些实施例中，本发明还可以被实施为记录在记录介质中的程序，其包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于实现根据本发明的方法的程序的记录介质。
在说明书及权利要求中的词语“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“之下”等只是用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其它取向上操作。
在此所使用的词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在上述技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。
在此所使用的词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪声以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。
另外，前面的描述可能提及了被“连接”或“耦接”在一起的元件或节点或特征。如在此所使用的，除非另外明确说明，“连接”意指一个元件/节点/特征与另一种元件/节点/特征在电学上、机械上、逻辑上或以其它方式直接地连接(或者直接通信)。类似地，除非另外明确说明，“耦接”意指一个元件/节点/特征可以与另一元件/节点/特征以直接的或间接的方式在机械上、电学上、逻辑上或以其它方式连结以允许相互作用，即使这两个特征可能并没有直接连接也是如此。也就是说，“耦接”意图包含元件或其它特征的直接连结和间接连结，包括利用一个或多个中间元件的连接。
另外，仅仅为了参考的目的，还可以在本文中使用“第一”、“第二”等类似术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。
在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。
本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。例如，多个操作可以结合成单个操作，而单个操作可以分布于多个操作中，并且各操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，其它实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其它各种实施例中可以改变操作顺序。而且，其它的修改、变化和替换同样是可能的。另外，上面描述的各个实施例和示例可以根据需要任意地组合，例如，某个实施例中描述的特定操作或细节也可以应用于其它实施例或示例。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种用于校准气体浓度分析仪中的激光的波长的方法，其特征在于，所述气体浓度分析仪包括光源、光源驱动电路、吸收池、参考池、探测器以及信号处理电路，
其中所述光源被配置为根据来自所述光源驱动电路的驱动信号来发射激光，所述驱动信号为锯齿波叠加正弦调制的信号；
所述吸收池被配置为容纳待测气体；
所述参考池被配置为容纳已知浓度的参考气体，所述参考气体与所述待测气体的成分相同；
所述探测器被配置为接收且将穿过所述吸收池和所述参考池的所述激光转换为代表所述激光的强度的电信号；以及
所述信号处理电路被配置为接收所述探测器输出的电信号，并且基于所述电信号得到二次谐波光谱；
所述方法包括：
在第一时段，将所述光源驱动电路的所述驱动信号设置为第一驱动信号，以使得所述光源发射校准激光，所述探测器输出代表穿过吸收池和参考池的校准激光的强度的第一电信号，并且所述信号处理电路基于所述第一电信号得到第一二次谐波光谱，并基于第一二次谐波光谱得到波长偏差；以及
在第二时段，将所述光源驱动电路的所述驱动信号设置为第二驱动信号，以使得所述光源发射测量激光，所述探测器输出代表穿过吸收池和参考池的测量激光的强度的第二电信号，并且所述信号处理电路基于所述第二电信号得到第二二次谐波光谱，并根据第二二次谐波光谱得到待测气体的浓度；
其中所述第一驱动信号的正弦频率调制幅度为第一幅度，所述第二驱动信号的正弦频率调制幅度为第二幅度并且所述第二驱动信号是基于第一时段得到的波长偏差而被校准的，第一幅度与第二幅度不同并且是基于所述参考池和所述吸收池的气体参数而设置的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述待测气体包括氨气，所述二次谐波光谱至少覆盖在9.04μm到9.09μm或8.889μm到8.936μm的范围内的波长，和/或
所述待测气体包括一氧化氮，所述二次谐波光谱至少覆盖在5.14μm到5.19μm的范围内的波长。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光源包括连续波中红外量子级联激光器。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一幅度被设置为使得第一二次谐波光谱中对应于参考气体的吸收峰值强度为对应于待测气体的吸收峰值强度的5倍或更大，和/或
所述第二幅度被设置为使得第二二次谐波光谱中对应于待测气体的吸收峰值强度为对应于参考气体的吸收峰值强度的5倍或更大。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一幅度被设置为最优化第一二次谐波光谱中对应于参考气体的吸收峰值强度，和/或
所述第二幅度被设置为最优化第二二次谐波光谱中对应于待测气体的吸收峰值强度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一幅度与第二幅度是基于参考气体和待测气体的吸收谱线的半高全宽而设置的。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气体参数包括吸收池和参考池的压强或温度、参考气体的浓度、和/或参考池中的参考气体与环境气体的混合比例。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括在第一时段和/或第二时段调节所述参考池的一个或多个气体参数以改变参考气体的吸收谱线的半高全宽。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，吸收池的压强为大气压，参考池的压强小于大气压。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述待测气体为经过脱硝处理而排放的烟气中的氨气，所述参考池容纳的是混合的已知浓度的氨气和氮气。
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