本發(fā)明涉及氣體檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于TDLAS技術(shù)開放單光路短光程進(jìn)行玻璃容器內(nèi)氣體檢測的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

玻璃容器內(nèi)的氣體檢測應(yīng)用非常廣泛，如醫(yī)藥行業(yè)中所使用的玻璃藥瓶一般采用抽真空或充氮的方法使藥品與氧氣隔絕，從而保證藥品的穩(wěn)定性和無菌性。但由于加塞及軋蓋工藝不穩(wěn)定、包材自身破損及人為因素等，無法保證玻璃瓶內(nèi)絕對真空，使氧氣濃度過高而導(dǎo)致藥物變質(zhì)速度加快，影響藥效，甚至危害藥品使用者的安全。目前對于玻璃藥瓶內(nèi)的氧氣檢測手段主要為破壞性的抽樣檢測，其漏檢率高，分辨率低，操作不方便，無法滿足在線檢測要求。

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)因具有高精度、高靈敏度和響應(yīng)快速等特性在痕量氣體的實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。而對于玻璃容器內(nèi)氣體檢測，系統(tǒng)除電子儀器設(shè)備的系統(tǒng)噪聲外，還存在光學(xué)干涉條紋噪聲(標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng))，即因玻璃容器兩壁造成入射光多次反射和透射，形成多光束干涉，這是影響系統(tǒng)檢測精度最主要的因素。國內(nèi)外文獻(xiàn)對于“標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)”僅解釋其產(chǎn)生于兩平行光學(xué)表面，未進(jìn)一步開展深入探究。Persson和Andersson提出了一種應(yīng)用探測器非線性補(bǔ)償?shù)钠胶鈿怏w檢測方法來抑制光學(xué)干涉條紋影響，但要求雙光路檢測，且需要光衰減濾波器等復(fù)雜儀器，不符合實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)的要求。Hanson等則提出應(yīng)用小傾角的楔形窗或離軸拋物鏡方法來抑制干涉條紋，但也未就其抑制原理進(jìn)行詳細(xì)說明，且該方法只適用于氣體樣品在光學(xué)氣室中的情況，需要額外的光學(xué)元器件，不適用于自由空間即光學(xué)領(lǐng)域中所稱的大氣空間中的開放單光路短光程檢測密閉玻璃容器內(nèi)氣體。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為開放單光路短光程進(jìn)行玻璃容器內(nèi)氣體檢測的系統(tǒng)提供一種準(zhǔn)確方便的多光束干涉抑制方法，克服因玻璃容器壁帶來的光學(xué)噪聲，高效獲取二次諧波信號(hào)特征值，提高系統(tǒng)檢測精度和穩(wěn)定性。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，

一種玻璃容器內(nèi)TDLAS氣體檢測的多光束干涉抑制方法，其特征在于，包括以下步驟：

使激光照射并穿透玻璃容器，且玻璃容器沿激光光路方向傾斜一定角度，接收激光透射玻璃容器后產(chǎn)生的直接透射光和經(jīng)過玻璃容器兩壁反射后再透射的第一次透射光，根據(jù)這兩次透射光之間距離的表達(dá)式，求出入射角的最小值，在此基礎(chǔ)上以二次諧波信號(hào)特征值的信噪比為優(yōu)化指標(biāo)，獲得實(shí)際系統(tǒng)中信噪比最大時(shí)的最佳入射角。

所述的方法，激光穿透玻璃容器的兩壁在沿光路的方向平行，激光相對玻璃容器兩壁有一定入射角度。

所述的方法，直接透射光與經(jīng)過反射后第一次透射光之間距離X為：

X＝2d·sinθ (1)

其中，d表示玻璃瓶橫截面直徑長度即干涉腔長，θ為激光入射角。

所述的方法，為使接收的直接透射光不受第一次透射光干擾，X滿足：

X≥r+ω₁′ (2)

其中r為探測器感光半徑，ω′₁為激光光束，也即高斯光束的第一次反射后的透射光光斑最大半徑。

所述的方法，確定能使接收的直接透射光不受第一次透射光干擾的最小傾斜角度由以下公式和求得的X共同表征：

z_n＝z₀+2ndcosθ (3)

其中n是指光束在玻璃瓶壁上反射的次數(shù)，z_n表示光束經(jīng)n次玻璃瓶壁反射傳輸?shù)浇邮斩说穆烦?，z₀為直接透射光的路程；

其中λ為發(fā)射光的波長，ω₀為高斯光束直接透射光的可視光斑半徑；

其中ω_n為高斯光束的第n次反射后的透射光可視光斑半徑，ω′_n為高斯光束的第n次反射后的透射光光斑最大半徑，e為自然底數(shù)。

所述的方法，在入射角大于最小值的情況下，以二次諧波信號(hào)特征值的信噪比最大為實(shí)驗(yàn)優(yōu)化指標(biāo)，獲得實(shí)際系統(tǒng)中的最佳入射角的步驟為：

以至少20次測量二次諧波信號(hào)峰值的平均值作為信號(hào)，二次諧波信號(hào)峰值的標(biāo)準(zhǔn)差作為噪聲，計(jì)算得到信噪比，并作為系統(tǒng)入射角角度的優(yōu)化指標(biāo)，以獲得信噪比最大時(shí)的最佳入射角。

本發(fā)明的技術(shù)效果在于，通過準(zhǔn)確方便的多光束干涉抑制方法，克服因玻璃容器壁帶來的光學(xué)噪聲，獲得實(shí)際系統(tǒng)中的最佳入射角，高效獲取二次諧波信號(hào)特征值，提高系統(tǒng)檢測精度和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了在不加入復(fù)雜光學(xué)器件和額外信息抗干擾處理前提下，高效提取二次諧波信號(hào)特征值進(jìn)行玻璃容器內(nèi)氣體檢測分析。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

附圖說明

圖1為多光束干涉示意圖；

圖2實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；

圖3不同入射角的二次諧波波形圖；

圖4氧氣含量21％的玻璃藥瓶在不同入射角下的預(yù)測結(jié)果。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明將激光照射被檢測玻璃容器，同時(shí)將被檢測玻璃容器沿激光光路方向傾斜一定角度，然后通過增大入射角使各次透射光之間距離變大，以有效抑制多光束干涉，但透射率隨著入射角的增大而單調(diào)減小，嚴(yán)重降低信號(hào)峰值。分析系統(tǒng)中玻璃容器被照射的近似平行的兩壁間存在的標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)，而激光透射后的能量主要集中在直接透射光與經(jīng)過反射后第一次透射光上，規(guī)范這兩次透射光之間距離X表達(dá)式，如圖1所示，其中M1、M2為玻璃容器的兩壁，z軸表示入射光束的傳輸軸線，z₀為入射光的束腰中心與接收面M′間距離，d為玻璃容器橫截面的直徑即干涉腔長，θ為玻璃藥瓶壁垂直方向與入射光的夾角，即入射光與入射界面法線的夾角，一般稱為入射角。E₀，E₁，……，E_m分別表示各次透射光，其中E₀為直接透射光，E₁是經(jīng)過玻璃容器兩壁反射后再透射的第一次透射光，X表示相鄰兩透射光之間距離，x是表示x軸方向。根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置和現(xiàn)場參數(shù)求出入射角的最小值，接收的直接透射光將不受第一次透射光干擾，波形將不會(huì)產(chǎn)生形變。在此基礎(chǔ)上以二次諧波信號(hào)特征值的信噪比最大為優(yōu)化指標(biāo)，獲得實(shí)際系統(tǒng)中的最佳入射角。采用本發(fā)明所述的多光束干涉抑制方法，在不加入復(fù)雜光學(xué)器件和額外信息抗干擾處理前提下，能高效提取二次諧波信號(hào)特征值進(jìn)行玻璃容器內(nèi)氣體檢測分析。

現(xiàn)以基于TDLAS技術(shù)開放單光路短光程檢測玻璃藥瓶內(nèi)氧氣含量為例，說明本發(fā)明的多光束干涉抑制方法，如圖2所示為開放單光路短光程的玻璃藥瓶內(nèi)氧氣含量檢測裝置示意圖。晶體振蕩器產(chǎn)生的高頻正弦波信號(hào)，一路作為調(diào)制信號(hào)與信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的低頻鋸齒波信號(hào)相加，作為激光及溫度控制器的調(diào)制輸入信號(hào)，另一路同頻同相的正弦波信號(hào)送往鎖相放大器，作為相敏檢波的參考信號(hào)。激光及溫度控制器工作在電流調(diào)制模式，對中心波長是760nm的DFB激光器進(jìn)行電流調(diào)諧，使激光的光頻率全面覆蓋氧氣的吸收譜線。玻璃藥瓶放置在瓶體支架上，支架傾斜角度可調(diào)，激光穿透玻璃藥瓶后，由光電探測器組件進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，送往鎖相放大器進(jìn)行處理，經(jīng)GPIB接口卡傳送至電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后的主要系統(tǒng)工作參數(shù)有:激光器的工作溫度為28.25℃，工作電流為35.89mA，對應(yīng)氧氣的吸收線中心處于760.885nm。低頻鋸齒波掃描電壓為14mV，頻率為10Hz，對應(yīng)掃描范圍是760.885nm±10pm。高頻正弦波調(diào)制電壓為10mV，頻率為12KHz。光源與接收器之間距離z₀為6cm，玻璃瓶直徑為2.2cm，去除瓶壁厚度后干涉腔長d為2cm，探測器端光斑直徑為6mm，即光束的束腰半徑w₀為3mm，光電探測器的感光半徑r為1.7mm。

激光透射后的能量主要集中在直接透射光與經(jīng)過反射后第一次透射光上，為避免檢測波形出現(xiàn)形變，根據(jù)前述的公式(1)-公式(5)，求出能使接收的直接透射光不受第一次透射光干擾的入射角θ≥9.2°。

在不同入射角情況下，對氧氣含量是21％的玻璃藥瓶分別進(jìn)行二次諧波提取，每次以20個(gè)諧波周期數(shù)據(jù)平均、S-G平滑濾波快速處理，得到的波形如圖3所示。當(dāng)入射角小于9°時(shí)，諧波失真嚴(yán)重，不能作為檢測所需信號(hào)序列，當(dāng)達(dá)到11°后，諧波波形保持與理論一致，說明此時(shí)透射光相互分離，但峰值隨角度增加而降低。以20次諧波信號(hào)峰值的平均值作為信號(hào)，峰值的標(biāo)準(zhǔn)差作為噪聲，進(jìn)一步計(jì)算信噪比SNR，如下表1所示。

表1入射角與信噪比SNR關(guān)系

當(dāng)玻璃瓶入射角較小(＜9°)時(shí)，SNR不高(＜100)，隨著入射角的增大，盡管信號(hào)的平均峰值下降，但SNR有較大改善。當(dāng)入射角達(dá)到11°時(shí)，SNR達(dá)到最大，為176.5745。繼續(xù)增大入射角，信號(hào)峰值進(jìn)一步減小，其SNR也隨之降低，由此確定最佳入射角為11°。

在不同入射角情況下，對氧氣含量是21％的玻璃藥瓶分別進(jìn)行濃度測試。每次實(shí)驗(yàn)取20個(gè)周期的二次諧波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)平均、S-G平滑濾波快速處理、峰值提取、背景扣除及光譜實(shí)時(shí)校正后，得到瓶內(nèi)氧氣吸收的特征值進(jìn)行濃度反演預(yù)測，結(jié)果如圖4所示。當(dāng)入射角較小時(shí)，預(yù)測濃度相對誤差很大，而角度調(diào)節(jié)到11°時(shí)，預(yù)測最精確，此時(shí)預(yù)測結(jié)果為20.764％，相對誤差為1.124％。角度進(jìn)一步增大則預(yù)測結(jié)果又將變差，當(dāng)入射角為15°時(shí)，相對誤差達(dá)8.543％。驗(yàn)證了本方法能有效減少檢測系統(tǒng)中玻璃瓶帶來的多光束干涉干擾，提高系統(tǒng)信噪比，改善系統(tǒng)檢測精度。