收光谱检测装置2的半导体激光器3输出中心波长 761nm的激光束通过光纤13传输至光纤法兰21，穿过窗口镜18射入漫反射池1 ;在漫反射 池1内，激光束由漫反射镜15漫反射至聚焦透镜17聚焦后经光电探测器6变换成电信号 送入可调谐半导体激光吸收光谱检测装置2的前置放大电路7 ;前置放大电路7接收到的 电信号进行放大滤波后分成两路，一路信号经锁相放大器8二倍频调制后输出二次谐波信 号序列P 2f (i)至DSP微处理器10,另一路直接传输至DSP微处理器10,由DSP微处理器10 根据光谱信号序列中的最大值Bniax和最小值8_按下式I)对二次谐波信号序列P 2f(i)进 行光强归一化，得到光强归一化后的二次谐波信号序列y2f(i):
[0046]
[0047]
[0048] 式I)中，PDe光谱信号序列中的直流分量；然后，
[0049] 1)配制氧气浓度为20.9%的标准气体，在压力为1013砂&、温度为2961((即下式11 中的参考温度T。）条件下对所述激光系统进行校准，从而获取参考温度下的氧气吸收系数 a〇 (T0)和有效光程L ;
[0050] 2)根据洛仑兹线型构造如下式II)所示的二次谐波信号序列y2f⑴的拟合函数 模型：
[0051]
[0052] V = (i_i0) Δ χ
[0053] 式II)中，C为氧气浓度，S2(V，m)为二次谐波信号的洛伦兹线型表达式，y。为二次 谐波信号的基线偏移量，i为二次谐波信号序列的采样位置，ic为二次谐波信号序列y 2f(i) 的中心位置，△ χ为相邻两次采样之间的波长间距，m为二倍频调制系数；
[0054] 3)采用Levenberg-Marquardt迭代算法对式II)所示拟合函数模型进行最小二乘 拟合，从而得到拟合后的二次谐波信号序列；其中，所述Levenberg-Marquardt迭代算法中 各参数初值的确定方法如下：
[0055] y。的初值为二次谐波信号序列y 2f(i)各采样点信号的平均值；
[0056] i。的初值为二次谐波信号序列y 2f (i)中最大值Yniax所对应的采样位置；
[0057] Δ χ的初值、m的初值、C的初值按下述步骤获得：
[0058] A)计算二次谐波信号序列y2f⑴中最大值Yniax与最小值Y _之比R ;
[0059] B)根据DSP微处理器10中预设的R值与m为二倍频调制系数理论值曲线，获得m 的初值；
[0060] C)计算二次谐波信号序列y2f⑴中两个过零采样点的间隔数iz;
[0061] D)根据DSP微处理器10中预设的R值与二次谐波信号过零点的波长间距理论值 χζ曲线按下式III)计算Δ χ的初值：
[0062]
[0063] E)根据m的初值、二次谐波信号序列y2f(i)中最大值Yniax按下式IV )计算获得C 的初值：
[0064]
[0065]
[0066] 4)根据漫反射光学吸收池1内温度传感器9获得的气体温度T按下式V )对拟合 后的二次谐波信号序列进行温度修正，并直接计算出机动车尾气中氧气浓度Cra":
[0067]
[0068] 式V )中，Cmw为最小二乘拟合得到的初始氧气浓度，
为温度修正因子，并根 据下式VI )获得： CN 105158206 A 兄明书 6/6 页
[0069]
[0070] 式VI)中，E"为氧气分子低态能级，Q(T)为氧气分子总配分函数，Q(TO)为参考 温度下的氧气分子总配分函数，kB为玻尔兹曼常数，Tl为谱线展宽的温度依赖系数常数。
【主权项】
1. 一种车载式机动车尾气中氧气浓度的激光检测系统，该激光检测系统包括光学吸收 池和可调谐半导体激光吸收光谱检测装置，其中，所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测 装置包括半导体激光器、光电探测器和温度传感器；其特征在于： 所述的光学吸收池为漫反射光学吸收池，该漫反射光学吸收池包括一圆柱形的吸收 池，所述吸收池的一头设有漫反射镜，另一头设有聚焦透镜和窗口镜；其中，所述的漫反射 镜具有一球冠状的凹面，该凹面上镀有阳极氧化铝颗粒形成漫反射膜；所述的窗口镜倾斜 安装在漫反射光学吸收池的端盖上，其折射的光束指向漫反射镜的凹面；所述的窗口镜外 侧设有光纤法兰，并通过光纤与可调谐半导体激光吸收光谱检测装置中的半导体激光器连 接；所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置中的光电探测器设在聚焦透镜的外侧；所 述的温度传感器设在漫反射光学吸收池中； 所述激光检测系统检测机动车尾气中氧气浓度的方法包括以下步骤： 所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置输出中心波长761nm的激光束通过光纤 传输至光纤法兰，穿过窗口镜射入漫反射池；在漫反射池内，激光束由漫反射镜漫反射至聚 焦透镜聚焦后经光电探测器送入可调谐半导体激光吸收光谱检测装置将直流分量对二次 谐波信号进行光强归一化处理，得到光强归一化后的二次谐波信号序列；然后， 1) 在已知浓度、压力和参考温度条件下对所述的激光检测系统进行校准，从而获取参 考温度下的氧气吸收系数a。(T。）和有效光程L ; 2) 根据洛仑兹线型构造如下式II)所示的二次谐波信号序列y2f(i)的拟合函数模型： y2f (i) = Ca0 (T0) LS2 (V, m) +y〇 II) V = (i-i〇) A χ 式II)中，C为氧气浓度，S2(V，m)为二次谐波信号的洛伦兹线型表达式，y。为二次谐波 信号的基线偏移量，i为二次谐波信号序列的采样位置，％为二次谐波信号序列y 2f(i)的中 心位置，△ χ为相邻两次采样之间的波长间距，m为二倍频调制系数； 3) 采用Levenberg-Marquardt迭代算法对式II)所示拟合函数模型进行最小二乘拟 合，从而得到拟合后的二次谐波信号序列；其中，所述Levenberg-Marquardt迭代算法中各 参数初值的确定方法如下： %的初值为二次谐波信号序列y 2f(i)各采样点信号的平均值； %的初值为二次谐波信号序列y 2f (i)中最大值Y_所对应的采样位置； A χ的初值、m的初值、C的初值按下述步骤获得： A) 计算二次谐波信号序列y2f(i)中最大值￥_与最小值￥_之比R; B) 根据DSP微处理器中预设的R值与m为二倍频调制系数理论值曲线，获得m的初值； C) 计算二次谐波信号序列y2f(i)中两个过零采样点的间隔数iz; D) 根据DSP微处理器中预设的R值与二次谐波信号过零点的波长间距理论值xz曲线 按下式III)计算a X的初值：E) 根据m的初值、二次谐波信号序列y2f⑴中最大值￥_按下式IV)计算获得C的初 值： CN 105158206 A '丨入 ?1J ^ IJ 2/2 贝4)根据漫反射光学吸收池内温度传感器获得的气体温度T按下式V )对拟合后的二次 谐波信号序列进行温度修正，并直接计算出机动车尾气中氧气浓度Cra":式V )中，Cmw为最小二乘拟合得到的初始氧气浓度， 为温度修正因子，并根据 下式VI)获得：式VI)中，E"为氧气分子低态能级，Q(T)为氧气分子总配分函数，Q(TO)为参考温度 下的氧气分子总配分函数，kB为玻尔兹曼常数，τι为谱线展宽的温度依赖系数常数。2.根据权利要求1所述的一种车载式机动车尾气中氧气浓度的激光检测系统，其特征 在于，所述的漫反射膜的表面粗糙度为1-2 y m。
【专利摘要】本发明涉及一种车载式机动车尾气中氧气浓度的激光检测系统，该激光检测系统包括光学吸收池和可调谐半导体激光吸收光谱检测装置；其特征在于：所述的光学吸收池为漫反射光学吸收池；所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置输出的激光束通过光纤传输至光纤法兰，穿过窗口镜射入漫反射池；在漫反射池内，激光束由漫反射镜漫反射至聚焦透镜聚焦后经光电探测器送入可调谐半导体激光吸收光谱检测装置将直流分量对二次谐波信号进行光强归一化处理；然后先采用L-M算法对所述的拟合函数模型进行最小二乘拟合，再对拟合后的二次谐波信号序列进行温度修正，直接计算出机动车尾气中氧气浓度。
【IPC分类】G01N21/01, G01N21/39
【公开号】CN105158206
【申请号】CN201510680434
【发明人】张玉钧, 高彦伟, 陈东, 高闽光, 尤坤, 何莹, 陈晨, 王立明, 刘建国, 刘文清
【申请人】中国科学院合肥物质科学研究院
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年10月17日