本發(fā)明涉及一種利用波長調制光譜測量氣體壓強和組分濃度的裝置，還涉及一種利用波長調制光譜測量氣體壓強和組分濃度的方法，屬于激光吸收光譜技術領域。

背景技術：

可調諧激光吸收光譜技術利用被測氣體中組分的激光吸收特性，可以實現組分濃度、溫度、壓強、速度等參數的在線測量。作為一種光學測量技術，可調諧激光吸收光譜技術具有非接觸式、高靈敏度、高時間分辨率等特點，在大氣環(huán)境檢測和燃燒診斷等領域具有廣闊的應用前景?？烧{諧激光吸收光譜技術主要分為直接吸收光譜技術和波長調制光譜技術兩種方法。

壓強和組分濃度是流場中十分重要的參數，在被測氣體區(qū)域，壓強對譜線的福伊特線型展寬存在影響，因此實時準確地測量壓強對氣體濃度的測量十分必要。與點測量的傳統壓強傳感器不同，可調諧激光吸收光譜技術測量結果反映的是整個流場內部的壓強。直接吸收光譜技術通過處理透射光強和入射光強的比值得到氣體吸收系數，從而得到氣體參數信息。該方法技術操作簡單，無需標定，通過福伊特線型擬合得到碰撞展寬，從而得到壓強，但該方法對于基線擬合誤差敏感，容易受低頻噪聲的影響。波長調制光譜技術通過對激光信號進行高頻率調制，經過鎖相濾波后，檢測諧波信號計算得到氣體參數，有效避開了低頻噪聲，能夠顯著提高信噪比，實現更高精度的測量。目前波長調制光譜技術普遍采用四次諧波峰值與二次諧波峰值之比測量壓強，但四次諧波對探測器帶寬需求高，同時鎖相濾波計算量大，不易于硬件實現。且隨著諧波次數的增大，諧波信號的強度逐漸衰減，因此工業(yè)場合中四次諧波信號的信噪比較低，無法精確地提取信號峰值，從而降低壓強測量的準確度。壓強不確定度進一步影響二次諧波檢測測量氣體濃度的準確度。

技術實現要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種利用波長調制光譜同時測量氣體壓強和組分濃度的裝置和方法，該測量方法不需要對測量裝置進行壓強和濃度的標定；通過扣除背景處理，消除了干涉條紋和剩余幅度調制的影響；通過峰值比和歸一化處理，消除了顆粒散射、窗口污染等非吸收光強損失的影響，大大提高了測量精度。

為解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案為：

一種利用波長調制光譜測量氣體壓強和組分濃度的裝置，依次包括函數發(fā)生器、溫度電流控制器、分布反饋式激光器和激光分束器；函數發(fā)生器編譯的波形函數經溫度電流控制器調控后，再用分布反饋式激光器對出光進行波長調制，調制后的激光通過激光分束器，一路經準直透鏡準直后通過測量區(qū)域得到吸收信號通過光電探測器傳入信號采集系統中；一路先采用準直透鏡準直，再經對應波長標準具來確定出光頻率和時間的關系，透射光強穿過光電探測器接入信號采集系統進行儲存與算法處理；測量區(qū)域通過球形閥分別連接真空泵和壓強表，真空泵用來調節(jié)測量區(qū)域的氣體壓強，壓強表用來測量測量區(qū)域的氣體壓強。

一種利用波長調制光譜測量氣體壓強和組分濃度的方法，具體包括如下步驟：

步驟1，通過現場測量得到零吸收背景信號i0和透射光強信號it，使用鎖相放大和數字低通濾波器處理i0、it信號，得到測量信號的各次諧波信號；設置n的初始值為0，同時給出待測氣體壓力和濃度的初始值分別為p0、x0，并設定收斂閾值ε；

步驟2，計算it對應的扣除背景的二次諧波信號，記為提取三個峰值，計算出兩側峰值之和與中心峰值的比值，記為r^m；計算it對應的一次諧波歸一化二次諧波信號，記為提取的中心峰值，記為k^m；

步驟3，結合組分濃度xn、i0和beer-lambert定律，仿真不同壓力p下的透射光強對進行參數相同的鎖相放大和數字濾波處理，計算對應的扣除背景的二次諧波信號，記為提取的的三個峰值，計算出兩側峰值之和與中心峰值的比值，記為r^p，得到壓力p與r^p的關系曲線p-r^p曲線；

步驟4，將r^m帶入步驟3中的p-r^p曲線，使用插值的方法計算得到pn+1；

步驟5，結合壓力pn+1、i0和beer-lambert定律，仿真不同濃度x下的透射光強對進行參數相同的鎖相放大和數字濾波處理，計算對應的一次諧波歸一化的二次諧波信號，記為提取的的中心峰值，記為k^x，得到濃度x與k^x的關系曲線x-k^x曲線；

步驟6，將k^m帶入步驟5中的x-k^x曲線，使用插值的方法計算得到xn+1；

步驟7，判斷是否滿足：

|xn+1-xn|/xn＜ε；

若滿足，則迭代終止，將pn+1、xn+1作為待測氣體的壓強和組分濃度輸出；若不滿足，則令n＝n+1，返回步驟3，重復步驟3～步驟7，直至滿足終止準則。

其中，步驟1中，透射光強信號it表示為：

it＝i0(exp(-pxls(t)φ(v(t)，t)))；

其中，i0為入射光強度，it為透射光強度，p為壓力，x為氣體吸收組分的摩爾分數，l為光束穿過探測區(qū)域的光程，s(t)為譜線強度，是溫度t的函數，φ為線型函數，v為激光頻率。

其中，步驟1中，通過數字鎖相濾波得到吸收信號的各次諧波信號的x分量和y分量：

其中，ik為光強的線性與非線性調制幅度，ψk為對應相角，hn為第n階諧波系數；x分量和y分量中，當n＝k時，δnk＝1；n≠k時，δnk＝0；

吸收信號多次諧波的幅值可以表示為：

其中，步驟2中，計算得到扣除背景的二次諧波信號，和分別為背景信號二次諧波的分量。

其中，步驟2中，通過區(qū)域尋峰程序提取三個峰值，計算出兩側峰值之和與中心與心峰值的比值，記為r^m。

其中，步驟2中，計算it對應的一次諧波歸一化二次諧波信號，記為通過尋峰程序提取的中心峰值：

本發(fā)明測量方法基于波長調制吸收光譜技術，使用數字鎖相和低通濾波處理透射光強信號得到其扣除背景的二次諧波和一次諧波歸一化的二次諧波信號，建立了仿真信號二次諧波峰值特征與壓強的關系，同時建立了仿真信號一次諧波歸一化二次諧波峰值與濃度的關系，并采用插值的方法計算得到待測氣體壓強和組分濃度信息。本發(fā)明測量方法具有非侵入性、響應速度快、靈敏度高等特點，適用于工業(yè)現場氣體壓強和組分濃度的同時測量。

與現有技術相比，本發(fā)明技術方案具有的有益效果為：

本發(fā)明同時測量壓強和組分濃度的方法只需要使用一條吸收譜線，在選擇吸收譜線和激光光源時具有很大的靈活性；其從二次諧波信號特征上計算壓強，從一次諧波歸一化二次諧波上計算組分濃度，通過迭代算法實現了壓強和濃度的同時測量，本發(fā)明方法具有收斂速度快、計算精度高、對初值不敏感的優(yōu)點；隨著諧波次數的增大，諧波信號的強度逐漸衰減，相對于四次諧波與二次諧波峰值，本發(fā)明所需二次諧波信號的峰值特征更易于提取，對探測器帶寬需求更小，鎖相濾波處理模塊計算量更小，更易于硬件實現。

附圖說明

圖1是本發(fā)明測量裝置的結構原理圖；

其中，函數發(fā)生器1、溫度電流控制器2、分布反饋式激光器3、激光分束器4、準直透鏡5、標準具6、光電探測器7、信號采集系統8、測量區(qū)域9、壓強表10、球形閥11、真空泵12；

圖2是本發(fā)明測量方法的方法流程圖；

圖3是本發(fā)明實施例1中扣除背景后的二次諧波信號；

圖4是本發(fā)明實施例1中一次諧波歸一化二次諧波信號；

圖5是本發(fā)明實施例1中設定濃度，建立的仿真透射光強二次諧波峰值比與壓強的曲線；

圖6是本發(fā)明實施例1中設定壓強，建立的仿真透射光強2f/1f信號峰值與濃度的曲線；

圖7是本發(fā)明實施例1中壓強變化時的壓強測量結果；

圖8是本發(fā)明實施例1中壓強變化時的組分濃度測量結果。

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明的技術方案做進一步說明，但是本發(fā)明要求保護的范圍并不局限于此。

如圖1所示，本發(fā)明利用波長調制光譜測量氣體壓強和組分濃度的裝置，依次包括函數發(fā)生器1、溫度電流控制器2、分布反饋式激光器3和激光分束器4；函數發(fā)生器1編譯的波形函數經溫度電流控制器2調控后，再用分布反饋式激光器3對出光進行波長調制，調制后的激光通過激光分束器4，一路經準直透鏡5準直后通過測量區(qū)域9得到吸收信號通過光電探測器7傳入信號采集系統8中；一路先采用準直透鏡5準直，再經對應波長標準具6來確定出光頻率和時間的關系，透射光強穿過光電探測器7接入信號采集系統8進行儲存與算法處理；測量區(qū)域9通過球形閥11分別連接真空泵12和壓強表10，真空泵12用來調節(jié)測量區(qū)域9的氣體壓強，壓強表10用來測量測量區(qū)域9的氣體壓強。

如圖2所示，本發(fā)明利用波長調制光譜測量氣體壓強和組分濃度的方法，具體包括如下步驟：

步驟1，通過現場測量得到零吸收背景信號i0和透射光強信號it，使用鎖相放大和數字低通濾波器處理i0、it信號，得到測量信號的各次諧波信號；設置n的初始值為0，同時給出待測氣體壓力和濃度的初始值分別為p0、x0；

步驟2，計算it對應的扣除背景的二次諧波信號，記為提取三個峰值，計算出兩側峰值之和與中心峰值的比值，記為r^m；計算it對應的一次諧波歸一化二次諧波信號，記為提取的中心峰值，記為k^m；

步驟3，結合組分濃度xn、i0和beer-lambert定律，仿真不同壓力p下的透射光強對進行參數相同的鎖相放大和數字濾波處理，計算對應的扣除背景的二次諧波信號，記為提取的的三個峰值，計算出兩側峰值之和與中心峰值的比值，記為r^p，得到壓力p與r^p的關系曲線p-r^p曲線，

步驟4，將r^m帶入步驟3中的p-r^p曲線，使用插值的方法計算得到pn+1；

步驟5，結合壓力pn+1、i0和beer-lambert定律，仿真不同濃度x下的透射光強對進行參數相同的鎖相放大和數字濾波處理，計算對應的一次諧波歸一化的二次諧波信號，記為提取的的中心峰值，記為k^x，得到濃度x與k^x的關系曲線x-k^x曲線；

步驟6，將k^m帶入步驟5中的x-k^x曲線，使用插值的方法計算得到xn+1；

步驟7，判斷是否滿足：

|xn+1-xn|/xn＜ε

若滿足，則迭代終止，將pn+1、xn+1作為待測氣體的壓強和組分濃度輸出；若不滿足，則更新n＝n+1，返回步驟3，重復步驟3～步驟7，直至滿足終止準則。

本發(fā)明測量方法從二次諧波信號中提取壓強信息，不需要測量更高次諧波，光電探測器帶寬需求小，同時本發(fā)明測量方法也不需要對測量裝置進行壓強和濃度的標定，通過扣除背景處理，消除了干涉條紋和剩余幅度調制的影響，通過峰值比和歸一化處理，消除了顆粒散射、窗口污染等非吸收光強損失的影響。

實施例1

實施例1使用本發(fā)明方法測量標準濃度co(余氣為n2)，在壓強為1atm、充滿濃度為1.02％的co標準氣體的氣池進行測量。圖3是實施例1中扣除背景后的二次諧波信號；圖4是實施例1中一次諧波歸一化二次諧波信號；圖5是實施例1中設定濃度，建立的仿真透射光強二次諧波峰值比與壓強的曲線；圖6是實施例1中設定壓強，建立的仿真透射光強2f/1f信號峰值與濃度的曲線。通過真空泵裝置設置多個不同壓強的狀態(tài)，濃度保持為1.02％，圖7為設定壓強測量結果，圖8為co組分濃度測量結果，壓強與設定值吻合良好，濃度相對誤差均小于1％。本發(fā)明測量方法收斂速度快、計算精度高、對初值不敏感，測量壓強和濃度都能夠快速收斂。

本發(fā)明測量方法基于二次諧波、一次諧波歸一化的二次諧波信號和迭代算法，實現了氣體壓強和組分濃度的同時測量。該方法從二次諧波信號的特征上計算壓強，和四次諧波與二次諧波峰值之比的方法相比，二次諧波信號信噪比更高，探測器帶寬需求更小，同時鎖相濾波計算量小，更易于硬件實現；壓強的準確測量，進一步提高了濃度測量的準確性；采用不同吸收組分的譜線，可以實現多個組分和壓強的同時測量，即選擇不同吸收組分的譜線，可以實現氣體中其它組分濃度與壓強的同時測量。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。