CN110907398A - 一种气体浓度测量方法及测量装置 - Google Patents

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CN110907398A CN201911412196.4A CN201911412196A CN110907398A CN 110907398 A CN110907398 A CN 110907398A CN 201911412196 A CN201911412196 A CN 201911412196A CN 110907398 A CN110907398 A CN 110907398A
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Abstract

本发明公开一种气体浓度测量方法及测量装置，该方法通过利用已知浓度气体进行标定后，先利用固定偏置的正弦波使得激光器产生一定波数的激光，通过待测气体后，对采集信号然后进行FFT变换，得到对应变换后的第二项，即二次谐波的幅值，然后通过改变偏置的大小，进而得到不同偏置下的二次谐波的幅值，绘制偏置与二次谐波幅值的关系曲线，然后根据曲线的幅值反演得到待测气体浓度的大小，其中使用数据采集卡采集信号，然后可以通过LabVIEW对采集到的信号进行处理并得到待测气体的浓度，在保证实验结果的同时，减少实验器材成本，减小实验装置体积。

Description

一种气体浓度测量方法及测量装置
技术领域
本发明涉及安全测试技术领域，涉及气体测量方法及设备，具体涉及一种气体浓度测量方法和测量装置。
背景技术
近年来，随着光谱学与激光器技术的迅速发展，可调谐半导体激光器吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)等激光光谱技术应用于各种气体浓度检测领域，采用TDLAS检测具有很多优势，如高稳定性，选择性好，使用寿命长等。采用波长调制的技术应用于TDLAS，可以用于检测低浓度的气体，通过提取二次谐波的幅值与浓度之间成正比的关系得到未知气体的浓度，且由于探测精度高而被广泛应用。基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)属于光谱测量的一种，采用可调谐半导体激光器作为探测光源，利用比尔-朗伯定律和波长调制技术，通过检测二次谐波的幅值变化得到精度高的浓度检测限，通过固定偏置的方法找到激光器输出波长逼近气体吸收峰对应波长。其信号源的数量减少，去除了加法器的使用，降低光路中由于加法器导致的噪声，适用于各种在线气体检测的场合，实现污染物排放浓度的高精度在线测量，以及工作环境的安全问题，有害气体浓度范围报警装置，可有效解决现有测量方法及仪器无法实现在线测量的问题。但是，现有的基于TDLAS的波长调制测量微量气体浓度装置中多采用锁相放大器来实现二次谐波的幅值，导致存在如下问题，首先，锁相放大器的价格比较高，其次，锁相放大器的体积较大，不符合便携式测量工具的实际要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体浓度测量方法和测量装置，解决现有技术中所存在的价格高、体积大，不符合便携式测量工具的实际要求的问题。
为实现上述目的，本发明一方面提供一种气体浓度测量方法，包括以下步骤，
第一步，利用已知浓度的待测气体进行标定，得到固定偏置下，FFT后的二次谐波幅值-气体浓度之间的关系曲线，作为求取未知浓度的参考基线；
第二步，控制激光器，使所述激光器产生预设波数范围的激光；
第三步，将激光器的出射光通过含有待测气体的气体吸收池，然后通过激光探测器进行探测；
第四步，采集激光器的所述出射光通过含有待测气体的气体吸收池时所述激光探测器的输出信号，并通过式(1)计算得到所述待测气体的浓度，
Iout＝Iin(v)exp[-α(v)cL] (1)
式(1)中，Iin(ν)为原始光强，即未经过气体介质吸收时激光的光强，Iout为出射光强，即介质处理后激光的光强，c为待测气体的浓度，L为激光经过待测气体的有效长度，α(ν)为待测气体的吸收线型，α(ν)的表达式如式(2)：
Figure BDA0002350270990000021
式(2)中，α0为气体吸收系数，γ为气体吸收线型的半线宽；当激光器输出激光的中心频率等于气体吸收线型的中心频率时，气体吸收线型如式(3)：
Figure BDA0002350270990000031
式(3)中，w为频率调制信号时的频率，δν为频率调制信号时的幅度，νD是激光器输出频率的中心频率；当激光器经过控制信号源使激光器的输出频率等于气体线型的中心频率时，νD＝ν0，得到式(4)：
Iout＝I0(ν)[1+δIcoswt][1-α0cL(A0-A2cos2wt+A4cos4wt+...)] (4)
式(4)中，Iout为是出射光强，I0(ν)为由信号源输入到激光器的光强，δI为功率调制信号时的幅值，A0,A2,A4...当νD＝ν0时，对Iout进行傅里叶变换，得到各次谐波的系数，由式(4)进行傅里叶变换后得到的二次谐波即为式(5)：
I2f＝I0(ν)α0A2cL (5)
式(5)中，I2f为出射光强Iout的二次谐波对应的幅值，则通过测量激光通过待测气体的有效长度，得到L的值，以计算出未知浓度c。
在以上气体浓度测量方法的方案中优选的是，第三步中，将激光器的出射光通过含有待测气体的气体吸收池前，先采用光纤耦合器使所述激光器的出射光分成两路，其中一路所述出射光通过含有待测气体的第一气体吸收池，然后经第一半导体激光探测器进行探测；另一路所述出射光通过未含气体的第二气体吸收池，然后经第二半导体激光探测器进行探测。
还可以优选的是，第四步中，采集两个第一半导体激光探测器和第二半导体激光探测器的输出信号，并通过式(1)计算得到所述待测气体的浓度。
还可以优选的是，第三步中，将激光通过第一气体吸收池和第二气体吸收池前，先对所述激光进行准直处理。
还可以优选的是，第四步中，将第一半导体激光探测器和第二半导体激光探测器的输出信号输入到数据采集卡中，然后通过计算机处理得到所述待测气体的浓度值。
还可以优选的是，第一步中，先通过直接吸收法锁定待测气体吸收的范围，然后减小步进值，以锁定偏置值的范围，然后通过固定至少两个偏置值、以得到每个偏置值下的二次谐波值，再根据二次谐波的值画出二次谐波曲线。
还可以优选的是，第四步中，所述计算机中安装有LabVIEW软件，通过LabVIEW软件绘制出固定偏置下、FFT后的二次谐波幅值与气体浓度之间的关系曲线，得到所述气体管道内的所述待测气体的浓度值。
本发明另一方面提供一种气体浓度测量方法的测量装置，包括依次设置连接的同光轴的信号源、激光器和光纤耦合器；光纤耦合器的后侧设置有第一气体吸收池和第二气体吸收池，第一气体吸收池和第二气体吸收池分别安装有第一半导体激光探测器和第二半导体激光探测器，第一半导体激光探测器和第二半导体激光探测器的后侧依次设置连接有数据采集卡和计算机。
在以上气体浓度测量方法的测量装置的方案中优选的是，第一气体吸收池和第二气体吸收池的前侧分别设置有位于光纤耦合器后侧的第一光纤准直器和第二光纤准直器。
还可以优选的是，计算机内安装有绘制固定偏置下、FFT后的二次谐波幅值与气体浓度之间关系曲线、并得到所述气体管道内的所述待测气体浓度值的LabVIEW软件。
本发明具有如下优点：
本发明的气体浓度测量方法和测量装置，能够解决现有技术中所存在的价格高、体积大，不符合便携式测量工具的实际要求的问题，其减少信号源的数量，避免使用加法器，降低光路中由于加法器导致的噪声；其适用于多种在线气体检测的场合，实现污染物排放浓度的高精度在线测量，能够有效解决现有测量方法及仪器无法实现在线测量的问题，并解决工作环境的安全问题；具体地，其将传统的模拟信号转换成数字信号，数字信号的抗干扰能力强，在信号的后续反演浓度的过程中便于存储，处理和交换；其可以采用LabVIEW软件对数据进行处理，在程序中采用FFT算法来处理已知信号，进而得到固定偏置下的二次谐波的幅值；其通过双光程来测量待测气体的浓度，严格控制变量法，大大降低实验过程中的噪声影响，从而提高实验的准确度；其可以使用温控粗调激光器的输出波长，再采用固定偏置的高频调制信号精调激光器的输出波长，只使用固定偏置时高频调制信号的幅值，可以大大减少实验中无用数据的传输，提高数据传输的速度；其使用了二次谐波的幅值，但没有采用锁相放大器的提取，而是直接通过FFT得到，使得在保证实验结果不变的前提下，减少了锁相放大器的使用，既减少了实验器材的成本，又减小了实验的装置的体积。
附图说明
图1为本发明的气体浓度测量方法的流程框图。
图2为本发明的气体浓度测量方法的一个具体实施例的偏置电压为1.03V的谐波频谱图。
图3为本发明的气体浓度测量方法的图2所示实施例的偏置电压为1.04V的谐波频谱图。
图4为本发明的气体浓度测量方法的图2所示实施例的偏置电压为1.05V的谐波频谱图。
图5为本发明的气体浓度测量方法的图2所示实施例的偏置电压为1.06V的谐波频谱图。
图6为本发明的气体浓度测量方法的图2所示实施例的偏置电压为1.07V的谐波频谱图。
图7为本发明的气体浓度测量方法的图2所示实施例的偏置电压为1.08V的谐波频谱图。
图8为本发明的气体浓度测量方法的图2所示实施例的二次谐波散点图。
图2至图8中，虚线部分为总的频谱图，其中第二个峰值为二次谐波的幅值；图2至图7中，实线部分为激光通过待测气体后，由探测器探测得到的信号。
图9为本发明的气体浓度测量方法的图2所示实施例的二次谐波幅值与甲烷浓度关系图。
图10为本发明的气体浓度测量装置的结构示意图。
图11为本发明的气体浓度测量装置的结构框图。
图中，1为信号源，2为激光器，3为光纤耦合器，401为第一气体吸收池，402为第二气体吸收池，403为第一气体吸收池或第一气体吸收池的进气口，404为第一气体吸收池或第一气体吸收池的出气口，411为第一半导体激光探测器，412为第二半导体激光探测器，421为第一光纤准直器，422为第二光纤准直器，5为数据采集卡，6为计算机。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
一种气体浓度测量方法，参见图1，包括以下步骤，
第一步，利用已知浓度的待测气体进行标定，得到固定偏置下，FFT后的二次谐波幅值-气体浓度之间的关系曲线，作为求取未知浓度的参考基线；
第二步，控制激光器2，使所述激光器2产生预设波数范围的激光；
第三步，将激光器2的出射光通过含有待测气体的气体吸收池，然后通过激光探测器进行探测；
第四步，采集激光器2的所述出射光通过含有待测气体的气体吸收池时所述激光探测器的输出信号，并通过式(1)计算得到所述待测气体的浓度，
Iout＝Iin(v)exp[-α(v)cL] (1)
并且，当α(ν)c L趋近于零时，如下式(1.1)所示，
Iout＝Iin(ν)[1-α(ν)cL] (1.1)
式(1)中，Iin(ν)为原始光强，即未经过气体介质吸收时激光的光强，Iout为出射光强，即介质处理后激光的光强，c为待测气体的浓度，L为激光经过待测气体的有效长度，α(ν)为待测气体的吸收线型，α(ν)的表达式如式(2)：
Figure BDA0002350270990000071
式(2)中，α0为气体吸收系数，γ为气体吸收线型的半线宽；当激光器(2)输出激光的中心频率等于气体吸收线型的中心频率时，气体吸收线型如式(3)：
Figure BDA0002350270990000072
式(3)中，w为频率调制信号时的频率，δν为频率调制信号时的幅度，νD是激光器2输出频率的中心频率；当激光器2经过控制信号源1使激光器2的输出频率等于气体线型的中心频率时，νD＝ν0，得到式(4)：
Iout＝I0(ν)[1+δIcoswt][1-α0cL(A0-A2cos2wt+A4cos4wt+...)] (4)
式(4)中，Iout为是出射光强，I0(ν)为由信号源输入到激光器2的光强，δI为功率调制信号时的幅值，A0,A2,A4...当νD＝ν0时，对Iout进行傅里叶变换，得到各次谐波的系数，由式(4)进行傅里叶变换后得到的二次谐波即为式(5)：
I2f＝I0(ν)α0A2cL (5)
式(5)中，I2f为出射光强Iout的二次谐波对应的幅值，则通过测量激光通过待测气体的有效长度，得到L的值，以计算出未知浓度c。
上述实施例的气体浓度测量方法，可以采用信号源1来产生固定偏置的高频率正弦信号，并通过其中的温度控制芯片控制激光器2的工作温度，同时粗调激光器2的输出波长。此时，激光器2发射出一束单一的平行的某一波数的激光，通过光纤耦合器3后被分为两束相同的光，其中一束可以直接通过光纤传送到第一光纤准直器421、然后进入含有气体的第一气体吸收池401中，然后由第一半导体激光探测器411接收，另一束可以直接通过光纤传送到第二光纤准直器422、然后进入含有气体的第二气体吸收池402中，然后由第二半导体激光探测器412接收，但对应的第二气体吸收池402内没有待测气体；将两个第一半导体激光探测器411和第二半导体激光探测器412得到的数据通过数据采集卡5采集后传到计算机6上，再使用LabVIEW软件对采集到的信号进行处理，就可以得到固定偏置下FFT得到二次谐波的幅值，进而就可以得到待测气体的浓度。其中，式(1)基于比尔-朗伯定律；式(2)适用于常温常压下，即温度为25℃，压强为1个标准大气压。另外，第三步中，将激光器2的出射光通过含有待测气体的气体吸收池，然后通过激光探测器进行探测时，气体吸收池的数量可以为一个，即将激光器2的出射光仅仅通过含有待测气体的一个气体吸收池，气体吸收池的数量也可以为两个，此时具体请参见实施2至实施例4的内容。
实施例2
一种气体浓度测量方法，与实施例1相似，所不同的是，第三步中，将激光器2的出射光通过含有待测气体的气体吸收池前，先采用光纤耦合器3使所述激光器2的出射光分成两路，其中一路所述出射光通过含有待测气体的第一气体吸收池401，然后经第一半导体激光探测器411进行探测；另一路所述出射光通过未含气体的第二气体吸收池402，然后经第二半导体激光探测器421进行探测。
还可以进一步地，第四步中，采集两个第一半导体激光探测器411和第二半导体激光探测器421的输出信号，并通过式1计算得到所述待测气体的浓度。
还可以进一步地，第三步中，将激光通过第一气体吸收池401和第二气体吸收池402前，先对所述激光进行准直处理。
还可以进一步地，第四步中，将第一半导体激光探测器411和第二半导体激光探测器421的输出信号输入到数据采集卡5中，然后通过计算机6处理得到所述待测气体的浓度值。
还可以进一步地，第一步中，先通过直接吸收法锁定待测气体吸收的范围，然后减小步进值，以锁定偏置值的范围，然后通过固定至少两个偏置值、以得到每个偏置值下的二次谐波值，再根据二次谐波的值画出二次谐波曲线。即第一步中，先通过直接吸收法锁定待测气体吸收的范围，然后减小步进值，以锁定偏置值的范围，然后通过固定不同的偏置值、以得到每个偏置值下的二次谐波值，再根据二次谐波的值画出二次谐波曲线。
还可以进一步地，第四步中，所述计算机6中安装有LabVIEW软件，通过LabVIEW软件绘制出固定偏置下、FFT后的二次谐波幅值与气体浓度之间的关系曲线，得到所述气体管道内的所述待测气体的浓度值。
以测量甲烷气体的浓度为例，图2至图7为将偏置电压改变后得到的信号变化图，如图2中实线曲线为对应吸收气体后第一半导体激光探测器411采集得到的信号在示波器7上显示的曲线，虚线曲线为对应实线曲线FFT变化后得到的曲线，由图2至图7可知，当信号的偏置电压发生改变时，可以明显发现信号扫过气体吸收峰时对应的变化。每次采集二次谐波的幅值，然后以偏置电压为横坐标以采集到的二次谐波的幅值为纵坐标得到的曲线为图8，图9为对应的待测气体的浓度和二次谐波的幅值之间的关系拟合图，图9中，横坐标为甲烷浓度，单位为％，纵坐标为二次谐波幅值，单位为mV。
实施例3
实施例1或实施例2所述的气体浓度测量方法的气体浓度测量装置，参见图10和图11，包括依次设置连接的同光轴的信号源1、激光器2和光纤耦合器3；光纤耦合器3的后侧设置有第一气体吸收池401和第二气体吸收池402，第一气体吸收池401和第二气体吸收池402分别安装有第一半导体激光探测器411和第二半导体激光探测器412，第一半导体激光探测器411和第二半导体激光探测器412的后侧依次设置连接有数据采集卡5和计算机6。
本实施例的气体浓度测量装置，信号源1用于产生合适的固定偏置的高频正弦波信号，使激光器2产生一定波数范围的激光；激光器2用于产生的激光经过光纤耦合器3分成两路：一路通过含有待测气体的第一气体吸收池401，然后由第一半导体激光探测器411进行探测；另一路通过未含气体的第二气体吸收池402由第二半导体激光探测器412进行探测；数据采集卡5用于采集第一半导体激光探测器411和第二半导体激光探测器412输出的信号，并将信号发送至计算机6；计算机6用于根据数据采集卡5发来的信号进行计算，得到固定偏置下FFT得到的二次谐波的幅值进而得到待测气体的浓度；还可以包括第一光纤准直器421和第二光纤准直器422，分别用于进入第一气体吸收池401和第二气体吸收池402的光线的准直；计算机6用于编辑后期的计算机处理模块，实现二次谐波幅值的提取过程，同时，该部分的功能可以通过单片机或者示波器上面的FFT软件，如果使用示波器就无法实现两路信号相减的功能，但可以提取到单路的二次谐波的幅值。
实施例4
在实施例3所述的气体浓度测量方法的测量装置的基础上，还可以进一步的，第一气体吸收池401和第二气体吸收池402的前侧分别设置有位于光纤耦合器3后侧的第一光纤准直器421和第二光纤准直器422。
还可以进一步的，计算机6内安装有绘制固定偏置下、FFT后的二次谐波幅值与气体浓度之间关系曲线、并得到所述气体管道内的所述待测气体浓度值的LabVIEW软件。
本实施例的气体浓度测量装置，直流电压控制激光器2的芯片工作温度进而粗调激光器2输出波长，信号源1固定偏置叠加高频信号作为激光器2的波长的精调。图10和图11中，第一气体吸收池401和第二气体吸收池402的进气口403和出气口404作为待测气体输入和输出的通道口，充入气体时，可以先向两个气体吸收池中分别充入五分钟的氮气，检查完气密性并排除其它气体的影响后，再盖紧密封出气口404，然后向第一气体吸收池401中充入待测气体，然后再盖紧密封其进气口403。第二气体吸收池402保持不变，作为噪声排除参考项。整体上如图11所示，采用光纤耦合器3把激光器2输出的激光均分成两部分，其中一部分进入含有待测气体的第一气体吸收池401，然后传入第一半导体激光探测器411，另一部分进入未含待测气体的第二气体吸收池402，传入第二半导体激光探测器412；上述半导体探测器把探测到的信号通过数据采集卡5的两个通道口传入计算机6中，然后使用LabVIEW进行编程处理，首先对采集到的两路信号进行做差处理，然后把得到的数据进行FFT变换后，采集对应的变换结果的第二项即固定偏置下的二次谐波的幅值，然后根据幅值反演得到待测气体浓度的大小。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种气体浓度测量方法，其特征在于，包括以下步骤，
第一步，利用已知浓度的待测气体进行标定，得到固定偏置下，FFT后的二次谐波幅值-气体浓度之间的关系曲线，作为求取未知浓度的参考基线；
第二步，控制激光器(2)，使所述激光器(2)产生预设波数范围的激光；
第三步，将激光器(2)的出射光通过含有待测气体的气体吸收池，然后通过激光探测器进行探测；
第四步，采集激光器(2)的所述出射光通过含有待测气体的气体吸收池时所述激光探测器的输出信号，并通过式(1)计算得到所述待测气体的浓度，
Iout＝Iin(v)exp[-α(v)cL] (1)
式(1)中，Iin(ν)为原始光强，即未经过气体介质吸收时激光的光强，Iout为出射光强，即介质处理后激光的光强，c为待测气体的浓度，L为激光经过待测气体的有效长度，α(ν)为待测气体的吸收线型，α(ν)的表达式如式(2)：
Figure FDA0002350270980000011
式(2)中，α0为气体吸收系数，γ为气体吸收线型的半线宽；当激光器(2)输出激光的中心频率等于气体吸收线型的中心频率时，气体吸收线型如式(3)：
Figure FDA0002350270980000012
式(3)中，w为频率调制信号时的频率，δν为频率调制信号时的幅度，νD是激光器(2)输出频率的中心频率；当激光器(2)经过控制信号源(1)使激光器(2)的输出频率等于气体线型的中心频率时，νD＝ν0，得到式(4)：
Iout＝I0(ν)[1+δIcoswt][1-α0cL(A0-A2cos2wt+A4cos4wt+...)] (4)
式(4)中，Iout为是出射光强，I0(ν)为由信号源输入到激光器(2)的光强，δI为功率调制信号时的幅值，A0,A2,A4...当νD＝ν0时，对Iout进行傅里叶变换，得到各次谐波的系数，由式(4)进行傅里叶变换后得到的二次谐波即为式(5)：
I2f＝I0(ν)α0A2cL (5)
式(5)中，I2f为出射光强Iout的二次谐波对应的幅值，则通过测量激光通过待测气体的有效长度，得到L的值，以计算出未知浓度c。
2.如权利要求1所述的气体浓度测量方法，其特征在于，第三步中，将激光器(2)的出射光通过含有待测气体的气体吸收池前，先采用光纤耦合器(3)使所述激光器(2)的出射光分成两路，其中一路所述出射光通过含有待测气体的第一气体吸收池(401)，然后经第一半导体激光探测器(411)进行探测；另一路所述出射光通过未含气体的第二气体吸收池(402)，然后经第二半导体激光探测器(421)进行探测。
3.如权利要求2所述的气体浓度测量方法，其特征在于，第四步中，采集两个第一半导体激光探测器(411)和第二半导体激光探测器(421)的输出信号，并通过式(1)计算得到所述待测气体的浓度。
4.如权利要求3所述的气体浓度测量方法，其特征在于，第三步中，将激光通过第一气体吸收池(401)和第二气体吸收池(402)前，先对所述激光进行准直处理。
5.如权利要求4所述的气体浓度测量方法，其特征在于，第四步中，将第一半导体激光探测器(411)和第二半导体激光探测器(421)的输出信号输入到数据采集卡(5)中，然后通过计算机(6)处理得到所述待测气体的浓度值。
6.如权利要求1-5中任一项所述的气体浓度测量方法，其特征在于，第一步中，先通过直接吸收法锁定待测气体吸收的范围，然后减小步进值，以锁定偏置值的范围，然后通过固定至少两个偏置值、以得到每个偏置值下的二次谐波值，再根据二次谐波的值画出二次谐波曲线。
7.如权利要求6所述的气体浓度测量方法，其特征在于，第四步中，所述计算机(6)中安装有LabVIEW软件，通过LabVIEW软件绘制出固定偏置下、FFT后的二次谐波幅值与气体浓度之间的关系曲线，得到所述气体管道内的所述待测气体的浓度值。
8.如权利要求1-7中任一项所述的气体浓度测量方法的测量装置，其特征在于，包括依次设置连接的同光轴的信号源(1)、激光器(2)和光纤耦合器(3)；光纤耦合器(3)的后侧设置有第一气体吸收池(401)和第二气体吸收池(402)，第一气体吸收池(401)和第二气体吸收池(402)分别安装有第一半导体激光探测器(411)和第二半导体激光探测器(412)，第一半导体激光探测器(411)和第二半导体激光探测器(412)的后侧依次设置连接有数据采集卡(5)和计算机(6)。
9.如权利要求8所述的气体浓度测量方法的测量装置，其特征在于，第一气体吸收池(401)和第二气体吸收池(402)的前侧分别设置有位于光纤耦合器(3)后侧的第一光纤准直器(421)和第二光纤准直器(422)。
10.如权利要求9所述的气体浓度测量方法的测量装置，其特征在于，计算机(6)内安装有绘制固定偏置下、FFT后的二次谐波幅值与气体浓度之间关系曲线、并得到所述气体管道内的所述待测气体浓度值的LabVIEW软件。
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