本發(fā)明涉及一種并聯(lián)雙氣室痕量氣體分析系統(tǒng)及氣體濃度計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜法(tdlas，tunablediodelaserabsorptionspectroscopy)是一種廣泛應(yīng)用于痕量氣體濃度檢測(cè)的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于石油化工、環(huán)境檢測(cè)、生物醫(yī)藥、航空航天等領(lǐng)域，具有選擇性好、精度高、實(shí)時(shí)非接觸等優(yōu)點(diǎn)。tdlas技術(shù)基于分子吸收光譜原理，由于不同氣體分子的振動(dòng)形式導(dǎo)致分子會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的激光，比爾朗博(beer-lambert)定律，即當(dāng)一束特定波長(zhǎng)的激光經(jīng)過一定長(zhǎng)度含有目標(biāo)氣體的吸收池后，其出射光強(qiáng)的衰減強(qiáng)度與氣體的濃度成比例關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，激光器的驅(qū)動(dòng)電流增加高頻正弦調(diào)制電流以減小低頻噪聲的干擾、提高測(cè)量精度，通過數(shù)學(xué)計(jì)算可以證明，在一定環(huán)境條件下，光譜信號(hào)的二次諧波信號(hào)的信號(hào)高度與待測(cè)氣體的濃度和吸收池光程成正比。

現(xiàn)有的tdlas系統(tǒng)往往只有一個(gè)分析氣室，待測(cè)氣體在該氣室中受到激光照射形成對(duì)應(yīng)的光譜信號(hào)，但由于氣體本身的性質(zhì)受到溫度和壓力的影響，相同濃度的氣體在不同溫度下的吸收光譜展寬和高度都不同，因此普遍需要對(duì)氣室進(jìn)行恒溫伴熱處理，加上吸收譜線定位和溫度修正等算法減少不穩(wěn)定因素的影響，而且系統(tǒng)使用的可調(diào)諧半導(dǎo)體(dfb)激光器，對(duì)激光器譜線寬度、邊模抑制比和穩(wěn)定性都有較高要求，這種激光器價(jià)格較為昂貴。綜上，恒溫系統(tǒng)、精密元器件和修正算法的應(yīng)用會(huì)大大提高設(shè)備的成本、增加設(shè)備體積，更重要的是各種修正參數(shù)的確定需要大量標(biāo)定數(shù)據(jù)積累，從長(zhǎng)期來看不能完全保證測(cè)量濃度的準(zhǔn)確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種并聯(lián)雙氣室痕量氣體分析系統(tǒng)及計(jì)算方法方法，消除了tdlas技術(shù)中激光器波長(zhǎng)漂移和溫度壓力變化等不穩(wěn)定因素對(duì)氣體分析結(jié)果的影響，提高系統(tǒng)對(duì)激光器性能的容錯(cuò)率和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)力。

本發(fā)明具體是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：

一種并聯(lián)雙氣室痕量氣體分析系統(tǒng)，包含電路模塊、光學(xué)模塊和氣路模塊，

所述電路模塊分為控制電路、信號(hào)處理電路和數(shù)據(jù)處理單元，所述控制電路包括調(diào)制波形發(fā)生器、激光驅(qū)動(dòng)電路和數(shù)字溫控模塊，所述調(diào)制波形發(fā)生器與激光驅(qū)動(dòng)電路相連；所述信號(hào)處理電路包括第一處理電路和第二處理電路，所述第一處理電路包括依次連接的第一前置放大電路、第一濾波電路、第一鎖相放大器；所述第二處理電路分別包括依次連接的第二前置放大電路、第二濾波電路、第二鎖相放大器；所述第一濾波電路、第一鎖相放大器、第二濾波電路、第二鎖相放大器都連接至數(shù)據(jù)處理單元；所述調(diào)制波形發(fā)生器分別連接至第一鎖相放大器、第二鎖相放大器；

所述光學(xué)模塊包括激光器、第一準(zhǔn)直匯聚透鏡、分束器、第一光電二極管探測(cè)器、第二光電二極管探測(cè)器、第二準(zhǔn)直匯聚透鏡和第三準(zhǔn)直匯聚透鏡，所述激光器、第一準(zhǔn)直匯聚透鏡、分束器依次配合安裝；所述第一光電二極管探測(cè)器和第二準(zhǔn)直匯聚透鏡配合安裝；所述第二光電二極管探測(cè)器和第三準(zhǔn)直匯聚透鏡配合安裝；

所述氣路模塊包括并列設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)氣室和樣氣氣室，所述標(biāo)準(zhǔn)氣室和樣氣氣室的一端分別設(shè)有激光入射接口和激光出射接口，另一端設(shè)有反射鏡，激光入射接口接入的激光經(jīng)過反射鏡后從激光出射接口射出；

所述激光驅(qū)動(dòng)電路和數(shù)字溫控模塊都連接至激光器；所述分束器將激光分成兩束分別通過光纖連接至標(biāo)準(zhǔn)氣室和樣氣氣室的激光入射接口；所述光纖連接至標(biāo)準(zhǔn)氣室和樣氣氣室的激光出射接口通過光纖分別連接至第二準(zhǔn)直匯聚透鏡和第三準(zhǔn)直匯聚透鏡；所述第一光電二極管探測(cè)器連接至第一前置放大電路，所述第二光電二極管探測(cè)器連接至第二前置放大電路。

一種并聯(lián)雙氣室痕量氣體分析系統(tǒng)的氣體濃度計(jì)算方法，包括以下步驟：

s1：標(biāo)準(zhǔn)氣室封裝已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體，樣氣氣室通入待測(cè)氣體；

s2：調(diào)節(jié)調(diào)制波形發(fā)生器，被調(diào)諧后的激光器發(fā)射的激光光強(qiáng)為i0(v)，被第一準(zhǔn)直匯聚透鏡準(zhǔn)直匯聚后經(jīng)過分束器分為激光光強(qiáng)為i1(v)和i2(v)兩路，其中激光光強(qiáng)為i1(v)的激光通過標(biāo)準(zhǔn)氣室的激光入射接口進(jìn)入光程為l1的標(biāo)準(zhǔn)氣室，與氣室中封裝的濃度為c1的標(biāo)準(zhǔn)氣體作用并被反射鏡反射，從標(biāo)準(zhǔn)氣室的激光出射接口射出，形成的光譜信號(hào)被光纖和第二準(zhǔn)直匯聚透鏡引入第一光電二極管探測(cè)器接收；激光光強(qiáng)為i2(v)的激光通過樣氣氣室的激光入射接口進(jìn)入光程為l2的樣氣氣室，與氣室中濃度為c2的待測(cè)氣體作用并被反射鏡反射，從樣氣氣室的激光出射接口射出，形成的光譜信號(hào)被光纖和第三準(zhǔn)直匯聚透鏡引入第二光電二極管探測(cè)器接收；

s3：上述第一光電二極管探測(cè)器的光信號(hào)分別經(jīng)過第一前置放大電路、第一濾波電路、第一鎖相放大器得到二次諧波，作為參考信號(hào)；上述第二光電二極管探測(cè)器的光信號(hào)分別經(jīng)過第二前置放大電路、第二濾波電路、第二鎖相放大器得到二次諧波，作為待測(cè)信號(hào)；

s4：通過數(shù)據(jù)處理單元比較得到的二次諧波的參考信號(hào)和待測(cè)信號(hào)，計(jì)算得出待測(cè)氣體的濃度。

上述步驟s4中的計(jì)算方法為：

s4.1：計(jì)算激光驅(qū)動(dòng)電路為激光器提供的實(shí)際電流i(t)：

i(t)＝ic+imcosωt(i)

公式(i)中，ic表示激光驅(qū)動(dòng)電路的中心電流，im表示調(diào)制波形發(fā)生器的電流調(diào)制幅值，ω表示調(diào)制頻率，t表示時(shí)間；

計(jì)算激光器發(fā)出激光的實(shí)際頻率v(t)：

v(t)＝vc+vmcosωt(ii)

公式(ii)中，vc表示激光器出射光中心頻率，vm表示頻率調(diào)制幅值；

s4.2：建立無量綱化的二次諧波波形，數(shù)學(xué)計(jì)算可以得到：提取到的二次諧波的波形a0(v)可以寫為：

其中，i0(v)表示頻率為v的入射光強(qiáng)；c表示被測(cè)組分的濃度，l表示光束在氣體內(nèi)走過的光程，α(v)表示頻率v處氣體的吸收截面，與溫度t和壓力p有關(guān)，無量綱化后的二次諧波幅值，即峰高與待測(cè)組分濃度成正比；

s4.3：根據(jù)公式(iii)可得參考信號(hào)的二次諧波波形為：

待測(cè)信號(hào)的二次諧波波形為：

結(jié)合公式(iv)和(v)可以得到：

s4.4：實(shí)際應(yīng)用中只需要提取二次諧波的幅值a和探測(cè)器探測(cè)到的中心光強(qiáng)i，即為：

其中i1為進(jìn)入到標(biāo)準(zhǔn)氣室的激光強(qiáng)度，i2為進(jìn)入到樣氣氣室的激光強(qiáng)度，a1為得到的二次諧波的參考信號(hào)值，a2為得到的二次諧波的待測(cè)信號(hào)值，

上述公式(vii)即待測(cè)氣體的濃度計(jì)算公式。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果為：由于進(jìn)入兩個(gè)氣室中的分束激光來自同一光源，波長(zhǎng)的漂移具有一致性，因此對(duì)參考信號(hào)和待測(cè)信號(hào)的影響是同步的；此外，并聯(lián)雙氣室結(jié)構(gòu)處在同一個(gè)環(huán)境溫度下，標(biāo)氣和樣氣的光譜曲線相對(duì)變化程度是一致的。綜上，即使激光器波長(zhǎng)漂移或者環(huán)境溫度改變，始終有參考信號(hào)來實(shí)時(shí)評(píng)估這些不穩(wěn)定因素的影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)氣體濃度的精確反演。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明的分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2為無量綱化的二次諧波波形圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示一種并聯(lián)雙氣室痕量氣體分析系統(tǒng)，包含電路模塊1、光學(xué)模塊2和氣路模塊3，

所述電路模塊1分為控制電路1.1、信號(hào)處理電路1.2和數(shù)據(jù)處理單元1.3，所述控制電路1.1包括調(diào)制波形發(fā)生器1.1.1、激光驅(qū)動(dòng)電路1.1.2和數(shù)字溫控模塊1.1.3，所述調(diào)制波形發(fā)生器1.1.1與激光驅(qū)動(dòng)電路1.1.2相連；所述信號(hào)處理電路1.2包括第一處理電路1.2.1和第二處理電路1.2.2，所述第一處理電路1.2.1包括依次連接的第一前置放大電路1.2.1.1、第一濾波電路1.2.1.2、第一鎖相放大器1.2.1.3；所述第二處理電路1.2.2分別包括依次連接的第二前置放大電路1.2.2.1、第二濾波電路1.2.2.2、第二鎖相放大器1.2.2.3；所述第一濾波電路1.2.1.2、第一鎖相放大器1.2.1.3、第二濾波電路1.2.2.2、第二鎖相放大器1.2.2.3都連接至數(shù)據(jù)處理單元1.3；所述調(diào)制波形發(fā)生器1.1.1分別連接至第一鎖相放大器1.2.1.3、第二鎖相放大器1.2.2.3；

所述光學(xué)模塊2包括激光器2.1、第一準(zhǔn)直匯聚透鏡2.2、分束器2.3、第一光電二極管探測(cè)器2.5、第二光電二極管探測(cè)器2.6、第二準(zhǔn)直匯聚透鏡2.7和第三準(zhǔn)直匯聚透鏡2.8，所述激光器2.1、第一準(zhǔn)直匯聚透鏡2.2、分束器2.3依次配合安裝；所述第一光電二極管探測(cè)器2.5和第二準(zhǔn)直匯聚透鏡2.7配合安裝；所述第二光電二極管探測(cè)器2.6和第三準(zhǔn)直匯聚透鏡2.8配合安裝；

所述氣路模塊3包括并列設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)氣室3.1和樣氣氣室3.2，所述標(biāo)準(zhǔn)氣室3.1和樣氣氣室3.2的一端分別設(shè)有激光入射接口和激光出射接口，另一端設(shè)有反射鏡3.3，激光入射接口接入的激光經(jīng)過反射鏡3.3后從激光出射接口射出；

所述激光驅(qū)動(dòng)電路1.1.2和數(shù)字溫控模塊1.1.3都連接至激光器2.1；所述分束器2.3將激光分成兩束分別通過光纖連接至標(biāo)準(zhǔn)氣室3.1和樣氣氣室3.2的激光入射接口；所述光纖連接至標(biāo)準(zhǔn)氣室3.1和樣氣氣室3.2的激光出射接口通過光纖分別連接至第二準(zhǔn)直匯聚透鏡2.7和第三準(zhǔn)直匯聚透鏡2.8；所述第一光電二極管探測(cè)器2.5連接至第一前置放大電路1.2.1.1，所述第二光電二極管探測(cè)器2.6連接至第二前置放大電路1.2.2.1。

一種并聯(lián)雙氣室痕量氣體分析系統(tǒng)的氣體濃度計(jì)算方法，包括以下步驟：

s1：標(biāo)準(zhǔn)氣室3.1封裝已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體，樣氣氣室3.2通入待測(cè)氣體；

s2：調(diào)節(jié)調(diào)制波形發(fā)生器1.1.1，被調(diào)諧后的激光器2.1發(fā)射的激光光強(qiáng)為i0(v)，被第一準(zhǔn)直匯聚透鏡2.2準(zhǔn)直匯聚后經(jīng)過分束器2.3分為激光光強(qiáng)為i1(v)和i2(v)兩路，其中激光光強(qiáng)為i1(v)的激光通過標(biāo)準(zhǔn)氣室3.1的激光入射接口進(jìn)入光程為l1的標(biāo)準(zhǔn)氣室3.1，與氣室中封裝的濃度為c1的標(biāo)準(zhǔn)氣體作用并被反射鏡反射，從標(biāo)準(zhǔn)氣室3.1的激光出射接口射出，形成的光譜信號(hào)被光纖和第二準(zhǔn)直匯聚透鏡2.7引入第一光電二極管探測(cè)器2.5接收；激光光強(qiáng)為i2(v)的激光通過樣氣氣室3.2的激光入射接口進(jìn)入光程為l2的樣氣氣室3.2，與氣室中濃度為c2的待測(cè)氣體作用并被反射鏡反射，從樣氣氣室3.2的激光出射接口射出，形成的光譜信號(hào)被光纖和第三準(zhǔn)直匯聚透鏡2.8引入第二光電二極管探測(cè)器2.6接收；

s3：上述第一光電二極管探測(cè)器2.5的光信號(hào)分別經(jīng)過第一前置放大電路1.2.1.1、第一濾波電路1.2.1.2、第一鎖相放大器1.2.1.3得到二次諧波，作為參考信號(hào)；上述第二光電二極管探測(cè)器2.6的光信號(hào)分別經(jīng)過第二前置放大電路1.2.2.1、第二濾波電路1.2.2.2、第二鎖相放大器1.2.2.3得到二次諧波，作為待測(cè)信號(hào)；

s4：通過數(shù)據(jù)處理單元1.3比較得到的二次諧波的參考信號(hào)和待測(cè)信號(hào)，計(jì)算得出待測(cè)氣體的濃度。

上述步驟s4中的計(jì)算方法為：

s4.1：計(jì)算激光驅(qū)動(dòng)電路1.1.2為激光器2.1提供的實(shí)際電流i(t)：

i(t)＝ic+imcosωt(i)

公式(i)中，ic表示激光驅(qū)動(dòng)電路的中心電流，im表示調(diào)制波形發(fā)生器的電流調(diào)制幅值，ω表示調(diào)制頻率，t表示時(shí)間；

計(jì)算激光器2.1發(fā)出激光的實(shí)際頻率v(t)：

v(t)＝vc+vmcosωt(ii)

公式(ii)中，vc表示激光器出射光中心頻率，vm表示頻率調(diào)制幅值；

s4.2：無量綱化的二次諧波波形如圖2所示，數(shù)學(xué)計(jì)算可以得到：提取到的二次諧波的波形a0(v)可以寫為：

其中，i0(v)表示頻率為v的入射光強(qiáng)；c表示被測(cè)組分的濃度，l表示光束在氣體內(nèi)走過的光程，α(v)表示頻率v處氣體的吸收截面，與溫度t和壓力p有關(guān)，無量綱化后的二次諧波幅值，即峰高與待測(cè)組分濃度成正比；

s4.3：根據(jù)公式(iii)可得參考信號(hào)的二次諧波波形為：

待測(cè)信號(hào)的二次諧波波形為：

結(jié)合公式(iv)和(v)可以得到：

s4.4：實(shí)際應(yīng)用中只需要提取二次諧波的幅值a和探測(cè)器探測(cè)到的中心光強(qiáng)i，即為：

其中i1為進(jìn)入到標(biāo)準(zhǔn)氣室的激光強(qiáng)度，i2為進(jìn)入到樣氣氣室的激光強(qiáng)度，a1為得到的二次諧波的參考信號(hào)值，a2為得到的二次諧波的待測(cè)信號(hào)值，

上述公式(vii)即待測(cè)氣體的濃度計(jì)算公式。

公式(vii)中沒有與環(huán)境條件相關(guān)的系數(shù)α，也消除了與激光器性能相關(guān)的ν，剩余項(xiàng)均為已知項(xiàng)和可測(cè)項(xiàng)。因此采用這種并聯(lián)雙氣室結(jié)構(gòu)后，在反演待測(cè)氣體濃度時(shí)可以直接利用參考信號(hào)進(jìn)行比例計(jì)算，消除了激光器波長(zhǎng)漂移和溫度壓力變化等不穩(wěn)定因素的影響，提高系統(tǒng)對(duì)激光器性能的容錯(cuò)率和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)力。

本發(fā)明中激光驅(qū)動(dòng)電路為激光器提供調(diào)諧和高頻調(diào)制電流，數(shù)字溫控模塊控制激光器和探測(cè)器的溫度。激光驅(qū)動(dòng)電路控制激光器發(fā)出一定頻率的激光，激光被第一準(zhǔn)直透鏡匯聚后進(jìn)入分束器，再由光纖分別引入到并聯(lián)雙氣室結(jié)構(gòu)中；其中一個(gè)氣室作為參考?xì)馐遥糜诜庋b一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體，另一個(gè)氣室作為樣氣氣室，以一定流量通入待測(cè)氣體；兩束性質(zhì)一樣的激光在不同氣室中分別于標(biāo)準(zhǔn)氣體和待測(cè)氣體作用后被反射鏡反射回光纖，經(jīng)匯聚后由各自的光電二極管探測(cè)器接收；兩個(gè)探測(cè)器接收到的光信號(hào)經(jīng)過各自的信號(hào)處理電路放大、過濾和鎖相處理后，分別得到參考信號(hào)和待測(cè)信號(hào)；最后經(jīng)過分析系統(tǒng)運(yùn)算反演得到待測(cè)氣體的濃度信息。本系統(tǒng)無需溫度修正系數(shù)和峰值追蹤功能，簡(jiǎn)化系統(tǒng)算法和標(biāo)定流程，避免修正系數(shù)不準(zhǔn)確對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。