度变化而变化。因此，单纯 地通过测量二次谐波的强度，若不考虑温度变化的影响，不可能准确地得到所测气体浓度。 由于采用二次谐波检测的办法，在进行温度补偿时主要需要考虑二次谐波的补偿效果，其 对温度的依赖会直接导致测量结果的偏差，需要确定二次谐波对于温度的依赖关系。
[0044] 利用指数函数拟合气体吸收系数：
[0045] 气体吸收线中心频率处的吸收系数与单位体积内气体分子密度、吸收线的线强度 和吸收线的半高半宽有关，可以表示为：
[0047] 式子中，N为单位体积内的气体分子密度（m〇l/cm3)，S为吸收线的谱线强度（cm1/ (mol?cm3))，y为吸收线的半高半宽（cm3。
[0048] 根据理想气体的压强公式，单位体积内的待测气体的分析密度是：
[0050] 式子中，P为待测气体的压强，k为玻尔兹曼常量，T为热力学温度。
[0051] 由于检测时压强没有变化，吸收线的半高半宽与温度有关，不同温度吸收线的半 高半宽可以表示为：
[0053] 式子中，T。、y。分别为参考温度296k时的温度值和吸收线半高半宽；n为温度系 数。
[0054] 有：
[0056] 随温度的变化，气体吸收谱线强度也发生变化，可将气体吸收谱线强度表示为温 度的函数：
[0058]Nc为Loschmidt常数，单位为cm3;e和me分别为电荷电量与质量；c为光速；Q(T) 为分子配分函数；h为普朗克（Planck)常量；k为波耳兹曼常数；g、W、f?分别为衰减因子、 能量及振荡强度。
[0059] 考虑到吸收线的谱线强度随温度的升高而减小，用二阶多项式来拟合，得到：
[0060]S=a+bT'+cT2 (1)
[0061]其中，a，b，c分别是拟合系数。可以通过多次测量谱线强度随温度的数值关系来 标定拟合出该系数。
[0062] 于是吸收系数温度影响模型可表示为：
[0063]a=G. (aTn ^bTn2+cTn3)
[0067] 其中，B1,bpC1为波长A1的单色光的吸收系数温度影响拟合系数；
[0068] a2,b2,C2为波长A2的单色光的吸收系数温度影响拟合系数；
[0069]由于&1，a2,bpb2,Cl，C2已知，因此通过上述的带有温度补偿的式子即可得到温度 补偿后的气体浓度。
[0070] 当待测气体受环境温度变化影响时，为准确测量待测气体的浓度，需通过温度补 偿抑制环境温度变化给检测带来的干扰。系统利用温度传感器采集气室内环境温度，对不 同温度下测量得到的气体浓度进行温度补偿。
[0071]实例：
[0072] 基于现有的双电极DFBLD的差分吸收检测系统，如图2所示，信号发生器产生正弦 波，通过调节激光器的注入电流对其输出波长进行调制。通过改变半导体激光器两个电极 输入的电流比率，产生两个中心波长为Xl和X2的光信号，A2为参考光，而Al对应气体 分子的吸收峰，强度近似相等。从DFBLD出射的光经光隔离器到光纤耦合器，耦合到光纤中 的光由分束器分为两束，一束光通过参考气室到PIN探测器，PIN输出信号经锁相放大后， 用于反馈控制激光器的注入电流，稳定激光器的输出频率；另一束光通过检测气室，到另一 光电探测器，输出信号锁相放大后用于获得待测气体的浓度。检测气室和参考气室的输出 光经光电探测器转化为电信号，用锁相放大器通过差分方式提取它们的二次谐波信号，然 后将两个二次谐波信号送入除法器进行比值输出，输出量携带含有温度影响因子的气体浓 度信息。根据前面建立气体浓度的温度补偿模型，通过温度补偿的办法可以消除温度波动 的干扰影响，同时也消除了由于光源波动和外界环境影响造成的测量误差。
[0073] 如图3所示，具体过程是：
[0074] 1.用温度传感器采集气室内的环境温度；
[0075] 2.多次测量谱线强度；
[0076] 3.利用式（1)对谱线强度进行二阶多项式拟合
[0077] 4.获得A1，A2波长的温度影响拟合系数；
[0078] 5.通过温度补偿模型计算气体浓度C(T);
[0079] 经上述处理的反应气体浓度的信号被送入信号处理装置后，输入计算机进行处 理、显不和打印。
[0080] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。
【主权项】
1. 一种具有温度补偿能力的光纤气体浓度检测方法，其特征在于，具体过程为： 步骤一，激光器产生两个中心波长为λ 1和λ 2的光信号，其中λ 1对应待测气体的吸 收峰，λ 2对应参考气体的吸收峰； 步骤二，光信号经光纤传输后通过分光器分成两束后，分别通过存储有参考气体的参 考气室和存储有待测气体的检测气室； 步骤三，重复步骤二，多次测量由参考气室和检测气室出射光的谱线强度； 步骤四，利用公式（1)对所述谱线强度进行线性拟合，获得波长λ 1单色光吸收系数的 温度影响拟合系数ai，bi，C1，获得波长λ 2单色光吸收系数的温度影响拟合系数a2, b2, C2; S = a+bT ^cT 2 (I) 其中，T为气室内的环境温度； 步骤五，根据拟合系数，利用公式（2)计算经过温度补偿后的气体浓度；其中，1表示光程，η为温度系数，I ( λ 1)为波长λ 1单色光的谐波光强，I ( λ 2)为波 长λ 2单色光的谐波光强，Τ。为参考温度296k，γ。为温度T。下吸收线的半高半宽，k为玻 尔兹曼常量，P为待测气体的压强。
【专利摘要】本发明提供一种具有温度补偿能力的光纤气体浓度检测方法，具体过程为：步骤一，激光器产生两个中心波长为λ1和λ2的光信号；步骤二，光信号经光纤传输后通过分光器分成两束后，分别通过存储有参考气体的参考气室和存储有待测气体的检测气室；步骤三，多次测量由参考气室和检测气室出射光的谱线强度；步骤四，对所述谱线强度进行线性拟合，获得两种波长单色光吸收系数的温度影响拟合系数；步骤五，根据拟合系数，计算经过温度补偿后的气体浓度。该方法建立了光纤气体检测系统的温度补偿模型，实现了考虑温度变化因子的光纤气体检测系统，通过温度补偿的方式抑制环境温度变化给检测带来的干扰，减小由于环境温度变化引入的测量误差，提高系统的检测精度。
【IPC分类】G01N21/39
【公开号】CN105067564
【申请号】CN201510413838
【发明人】阎毓杰, 王楠, 陈佳, 耿伟智, 杨云涛
【申请人】中国船舶重工集团公司第七一九研究所
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年7月14日