多气体谱线检测的最佳调制系数实现方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明属于气体浓度、温度、压力或流速的测量【技术领域】，为提供能够满足多气体谱线检测、并使各谱线均能实现最佳检测的方法和装置，可以提高TDLAS系统多气体浓度、压力、温度或流速的检测灵敏度，该方法和装置适用于痕量气体的在线、原位或离线检测或监测应用。为此，本发明的技术方案是：多气体谱线检测的最佳调制系数实现方法，检测气体对激光的吸收谱线对包括浓度、压力、温度及流速在内的气体的参数的测量，在激光波长的一个扫描周期内，激光的波长调制系数是变化的，即在一个扫描周期内采用两个或两个以上的正弦波幅度。本发明主要应用于气体检测。
【专利说明】多气体谱线检测的最佳调制系数实现方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明属于气体浓度、温度、压力或流速的测量【技术领域】，涉及多气体组分同时检测或者对单一气体的多条吸收谱线的同时检测，通过对所有待测谱线的调制系数最佳，实现多气体谱线检测灵敏度提高的方法和装置，具体讲，涉及多气体谱线检测的最佳调制系数实现方法和装置。
【背景技术】
[0002]可调谐二极管激光吸收光谱分析(Tunable diode laser absorptionspectroscopy, TDLAS)是一种高灵敏度、高分辨率和快速响应的气体检测技术，广泛用于工业流程中的气体监控、环境大气检测以及科学研究等领域。它利用二极管激光器的波长调谐特性，即通过改变二极管激光器的温度或注入电流，改变激光器的输出波长。在波长调谐范围内，检测待测气体的特征吸收光谱，通过对吸收光谱的线形分析，可以测量气体的浓度、温度、压力或流速。
[0003]对于高浓度或吸收系数较大的气体，通常采用直接吸收光谱检测方法。直接吸收光谱是检测通过被测气体后光强度随波长的变化，通过对吸收信号的强度分析，由比尔朗伯特(Beer-Lambert)定律计算被测气体的浓度。这种测量方法受光源的光强波动、检测器和放大器噪声、外界干扰等影响，其测量误差较大、灵敏度和精度较低。
[0004]为了提高检测灵敏度，通常采用波长调制光谱(Wavelength modulationspectroscopy, WMS)技术。WMS技术对激光做波长调制，产生波长扫描和高频调制，经气体吸收后的激光由光电探测器接收，利用相敏检测(通常使用锁相放大器)技术检测气体吸收光谱的高频调制谐波信号。丽S可以抑制激光强度起伏、系统Ι/f噪声、漂移等各种噪声的影响，提高信号的信噪比，检测灵敏度比直接吸收光谱分析技术高两个数量级以上。WMS技术中的波长扫描和高频调制，通过信号发生器给二极管激光器施加锯齿波并叠加正弦实现，锯齿波对应于波长扫描，其扫描范围至少覆盖一条完整的气体吸收谱线；高频正弦信号对应的波长调制幅度与气体吸收谱线半宽度(half width at half-maximum, HWHM)的比值定义为调制系数，调制系数与谐波检测信号的幅度和信噪比有关，对于2次谐波，一般认为最佳调制系数为2.2，此时得到的信号信噪比高，相应的检测灵敏度最高。
[0005]然而，对于多条气体谱线同时检测情况，由于这些谱线宽度[半高全宽，FWHM或半高半宽，HWHM]可能不同，为了达到高的信噪比，需要针对每一条谱线的参数分别设定不同的调制系数，即采用不同的高频调制信号幅度。而现有信号发生器及TDLAS系统构成方法，是通过信号发生器分别产生的锯齿波和正弦波叠加实现的，采用了某个固定的正弦波幅度，在一个锯齿波扫描周期内，不能兼顾所有谱线参数，从而导致多气体谱线检测的灵敏度和精度较低。
【发明内容】
[0006]本发明旨在克服克服现有技术的不足，提供一种能够满足多气体谱线检测、并使各谱线均能实现最佳检测的方法和装置。基于本发明的方法和装置，可以提高TDLAS系统多气体浓度、压力、温度或流速的检测灵敏度，该方法和装置适用于痕量气体的在线、原位或离线检测或监测应用。
[0007]为达到上述目的，本发明的技术方案是:多气体谱线检测的最佳调制系数实现方法，检测气体对激光的吸收谱线对包括浓度、压力、温度及流速在内的气体的参数的测量，其特征是，在激光波长的一个扫描周期内，激光的波长调制系数是变化的，即在一个扫描周期内采用两个或两个以上的正弦波幅度。
[0008]正弦波的幅度Vm由二极管激光器的调制特性、激光驱动器的调制电压-电流转换系数、待测谱线参数共同确定:
[0009]
【权利要求】
1.一种多气体谱线检测的最佳调制系数实现方法，其特征是，检测气体对激光的吸收谱线对包括浓度、压力、温度及流速在内的气体的参数的测量，其特征是，在激光波长的一个扫描周期内，激光的波长调制系数是变化的，即在一个扫描周期内采用两个或两个以上的正弦波幅度。
2.如权利要求1所述的多气体谱线检测的最佳调制系数实现方法，其特征是，正弦波的幅度Vm由二极管激光器的调制特性、激光驱动器的调制电压-电流转换系数、待测谱线参数共同确定:
3.如权利要求1所述的多气体谱线检测的最佳调制系数实现方法，其特征是，激光波长调制系数的改变是通过改变激光器注入电流中叠加到锯齿波上的高频正弦信号的幅度实现的，在每条气体吸收谱线附近，依据该谱线的宽度设定激光波长的调制系数，不同调制系数之间平滑过渡，不论在一个扫描周期内有几条吸收谱线且谱线不重叠，均使得对所有吸收谱线的调制系数达到最佳。
4.一种多气体谱线检测的最佳调制系数实现装置，其特征是，包括:激光器驱动器、二极管激光器、信号发生器、光电探测器、前置放大器、锁相放大器、AD转换器、计算机或嵌入式处理器、光准直透镜、气体池，激光器驱动器驱动二极管激光器产生的激光经过气体池及设置在气体池两端的光准直透镜投射到光电探测器，光电探测器的输出信号经前置放大器、锁相放大器、AD转换器输出到计算机或嵌入式处理器，信号发生器用于产生两个或两个以上的正弦波幅度的调制信号叠加到二极管激光器的注入电流中，锁相放大器还输出反馈信号到信号发生器。
5.如权利要求4所述的多气体谱线检测的最佳调制系数实现装置，其特征是，信号发生器包括微控制器、程序存储器、逻辑电路、数字-模拟转换电路、数据存储器、调制信号输出接口、同步解调信号输出接口，微控制器按照程序存储器中的程序运行控制逻辑电路产生同步解调信号输出到同步解调信号输出接口，逻辑电路还通过数字-模拟转换电路产生调制信号输出到调制信号输出接口，调制信号由锯齿波、两个或两个以上的正弦波幅度信号叠加而成，同步信号为与锯齿波同步的脉冲信号。
【文档编号】G01N21/39GK103616347SQ201310660971
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年12月5日 优先权日:2013年12月5日
【发明者】杜振辉, 李金义, 刘翰蔚 申请人:天津大学