基于中红外吸收光谱的多通道气体浓度检测系统及方法与流程

本发明涉及光学检测领域，特别涉及基于中红外吸收光谱的多通道气体浓度检测系统及方法。

背景技术：

光学检测技术由于具有高灵敏度、低检测限、快响应性的特点，正成为痕量气体浓度检测的主流方法，被广泛应用到燃烧诊断、工业过程控制、大气痕量检测、医学研究等领域中。其中tdlas是一种高分辨率的光学测量技术，通过利用激光器的窄线宽和波长调谐特性，对被测气体单一的特征吸收谱线进行扫描，获得目标气体的红外光谱特征信息，从而反演计算出气体的各种参数如浓度，温度等，实现对气体的定性和定量分析。对于各类气体的光谱分布可分为近红外光谱和中红外光谱，其中绝大多数物质在中红外光谱区域都有强的特征吸收谱线，相比于近红外波段要大几个量级，非常有利于光谱的测量，正成为科学研究和工业应用的热点方向。

在实际的工业过程控制和安全监控过程中，监控对象的空间尺寸往往比较大，气体浓度的单点检测以及多点混合检测结果，难以全面表征整个监控对象内的气体浓度平面分布状态，极大限制了工业过程控制和安全监控水平的提高。但是由于成本的限制，难以实现每个测点安装一个光学传感系统，尤其是造价较高的中红外tdlas系统。目前，现有的一套中红外tdlas系统组成包括：一个中红外激光器、若干个平面反射镜、一个凹面镜、一个气体吸收池、一个光电探测器、一个锁相放大模块、一个采集与显示模块。由于只有一个激光器产生一束出激光，因此只能形成一个测量通道，进行一个点的气体浓度测量。由于中红外激光器价格昂贵，使用多个中红外激光器虽能够产生多束测量激光，但是会使系统的造价较高，且使系统的复杂度和维护成本大大增加。同时由于中红外光纤还未实现大规模商业化应用，无法利用光纤实现单个中红外激光器的出射激光分束，进一步限制了中红外多通道气体浓度同步检测技术发展。因此，对于诸如工业过程控制和安全监控等领域，急需一种高精度的多通道气体浓度同步检测技术和系统。目前，现有的一套中红外tdlas系统组成包括：一个中红外激光器、若干个平面反射镜、一个凹面镜、一个气体吸收池、一个光电探测器、一个锁相放大模块、一个采集与显示模块。其主要工作过程如下：一个中红外激光器产生一束出射激光，经过平面反射镜反射入气体池内，与待测气体相互作用之后，出射激光由平面镜和凹面镜的组合反射并汇聚到光电探测器上。探测到的光信号转化为电信号，由锁相放大器进行解调，并由采集与显示模块计算和显示。由于只有一个激光器产生一束出激光，因此只能形成一个测量通道，进行一个点的气体浓度测量。现有的一套中红外tdlas系统只有一个测量通道，无法实现多路多通道的气体浓度测量。

林舒怀发明了一种便携式近红外多通道光谱仪，该发明包括主要包括壳体，探头，拥有多个传导光纤。其中壳体内主要包括多组的聚焦透镜、狭缝模、分光系统、光电探测器，以及数据处理单元。该发明是属于近红外光谱领域，是利用光纤实现激光器的分光，从而实现多通道的测量（林舒怀.一种便携式近红外多通道光谱仪,实用新型专利,cn206696177u,授权公告日：2017.12.01）。

赵尚宇等发明上午多通道一氧化碳检测报警器自动检定系统。其每个通道设置一个一氧化碳报警器，并为每个通道自动分配标准气体，从而实现报警器的自动检定（赵尚宇,陈克武,陈美美.多通道一氧化碳检测报警器自动检定系统，cn109917076u,申请公布日：2019.06.21）。

王茂祥等发明了一种抽气取样式多通道sf6定量泄漏报警系统。该系统主要特征在于设置有不同的取样点，通过对应的电磁阀控制，将不同取样点的目标气体，送入多通道取样室，然后进入分析仪中，其他点电磁阀处于关闭状态不抽气，从而实现对某一点的sf6定量泄漏检测与报警。该发明的多通道sf6定量泄漏报警涉及多通道取样气室，通过电磁阀控制每次可将一个测点进行取样到对应通道的气室内，然后送入一个分析单元进行分析（王茂祥.一种抽气取样式多通道sf6定量泄漏报警系统，cn208538301u,授权公告日：2019.02.22）。

罗文博等发明了一种多通道集成红外气体传感器。该传感器的主要特征在于，通过在硅基上制备多个光槽和多个气槽。每个光槽首尾设有一个红外光源窗口和红外敏感元窗口，从而形成多个测量通道。该发明多通道测量的形式是是多个光源对应多个气体室（罗文博,张开盛,袁博等.一种多通道集成红外气体传感器，cn109596560u,授权公告日：2019.04.09）。

东友光学株式会社发明了用于多点检测的多气室结构的气体检测装置。该装置的主要特点在于，有三个气室呈现三角形状排列。利用一个光源，结合聚焦透镜和滤光片，通过其前部放置开孔直径为气体池直径大小圆板的旋转，从而在某一时间段对固定的气体池形成通路，形成一个测量通道，进行浓度的测量。该发明的多点检测形式是利用机械运动的方式，每次形成一个测量通道，完成一个气室的测量（东友光学株式会社.发明了用于多点检测的多气室结构,cn109959614a,申请公布日：2019.07.02）。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决中红外tdlas技术在诸如工业过程控制和安全监控过程领域应用中，单点检测以及多点混合检测结果难以全面表征整个大尺寸监控对象内的气体浓度平面分布状态问题，提供一种基于中红外吸收光谱的多通道气体浓度检测系统，有效实现一套检测系统同时检测多个通道的气体浓度，得到大尺寸监控对象内气体浓度分布，有效提高工业过程控制和安全监控过程水平，降低气体浓度平面分布检测所需的设备成本和维护成本。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

基于中红外吸收光谱的多通道气体浓度检测系统，所述的检测系统包括激光温度控制模块、激光电流控制模块、中红外激光器、分束镜模块、平面反射镜模块、光开关模块、气体池模块、凹面镜模块、光电探测器、缩相放大模块、数据采集模块、数据处理与显示模块；

所述激光温度控制模块、激光电流控制模块和光开关模块分别与数据处理和显示模块连接，数据处理和显示模块用于设置激光温度控制模块和激光电流控制模块的温度和电流参数，以及光开关模块的通断时间和顺序；所述激光温度控制模块和激光电流控制模块均与中红外激光器连接，产生中红外激光器的温度控制信号和电流驱动扫描与调制信号；中红外激光器产生的发射激光由分束镜模块将发射激光分束，分束后的激光在光开关模块通断控制下入射到对应的气体池模块中，从气体池模块透射出的激光经平面反射镜模块和凹面镜模块汇聚到光电探测器，并经光电探测器内置的前置放大电路进行放大后，送入缩相放大模块对放大后的各路浓度电信号进行解调、降噪和二次谐波信号提取；数据采集模块对各路二次谐波信号进行采集，并将信号送入数据处理和显示模块，最终在数据处理和显示模块中完成各路气体浓度的反演、显示和储存。

进一步地，所述分束镜模块包括第一分束镜和第二分束镜；

所述光开关模块包括第一光开关、第二光开关、第三光开关；

第一分束镜和第二分束镜将发射激光分为三束，并结合平面反射镜模块的第一平面反射镜将三束分路激光分别入射到第一光开关、第二光开关、第三光开关。

进一步地，所述第一光开关、第二光开关、第三光开关通过自身快门的开闭，使激光仅能在其快门打开期间通过，从而完成光路的通断控制，其自身快门打开时间小于10ms。

进一步地，仅利用一个中红外激光器，通过所述的分束镜模块、光开关模块和气体池模块搭配使用，形成了多个测量光路，能够进行多个通道、多个测点的气体浓度检测。

进一步地，所述气体池模块包括第一气体吸收池、第二气体吸收池、第三气体吸收池；

所述平面反射镜模块包括第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜；

所述凹面镜模块包括第一凹面镜、第二凹面镜、第三凹面镜；

从所述的气体池模块透射出的多路激光，由平面反射镜模块和凹面镜模块反射并汇聚到一个光电探测器上。

进一步地，所述的光电探测器根据设定的光开关通断顺序和时间，依次探测和接收到从第一气体吸收池、第二气体吸收池、第三气体吸收池透射出的多路透射激光。

进一步地，所述缩相放大模块对依次接收的各路浓度电信号进行解调、降噪和二次谐波信号提取，并由数据采集模块进行采集，并送入所述数据处理和显示模块，数据处理和显示模块对各路二次谐波信号峰值进行分别提取，并将其与对应的配置浓度做最小二乘拟合，获得各路的二次谐波信号峰值与浓度的关系式，从而建立各自的浓度反演模型；当各路气体吸收池通入待测对象内平面分布测点的未知浓度气体时，根据产生的二次谐波信号，结合建立的浓度反演模型，计算反演出各路气体的浓度值，得到待测对象内待测的气体浓度平面分布结果，并以数据表格或者云图的方式进行显示和储存。

进一步地，各路的二次谐波信号峰值与浓度的关系式为yn浓度=anx信号峰值+bn，其中yn浓度为第n通道待测气体浓度，an为第n通道的通道系数，bn为第n通道的通道影响因子。

根据所述基于中红外吸收光谱的多通道气体浓度检测系统的检测方法，利用分束镜分束功能形成多个测量通道、光开关的通断控制功实现多个通道的依次有序检测，具体包括以下步骤：

s1、将符合测量要求的测量点气体通过管线通入到第一气体吸收池、第二气体吸收池、第三气体吸收池内，随后由各气体池的排气口排出，保证在正常工作时各个气体池内始终保持有待测点新鲜气体的流动，使其能够实时反映各个测点气体浓度的动态变化；

s2、由数据处理和显示模块设置激光温度控制模块和激光电流控制模块的相关参数，产生中红外激光器的温度控制信号和电流驱动扫描信号，在保证中红外激光器产生发射激光的同时，使其扫描波长的变化范围覆盖目标气体在中红外区域的特征光谱吸收线，同时启动光开关，由数据处理和显示模块设置第一光开关、第二光开关、第三光开关的通断时间和顺序；

s3、由所述的第一分束镜和第二分束镜按照设定的分束比将发射激光分束，结合平面反射镜模块的第一平面反射镜将分束后的激光由光开关模块控制，第一光开关、第二光开关、第三光开关按照设定的通断顺序和时间，依次有序控制分束后的激光进入第一气体吸收池、第二气体吸收池、第三气体吸收池内，待测气体对其入射激光进行吸收，从而使激光光强削弱，得到透射激光，产生该路待测气体吸收的光谱信号；

s4、由第一气体吸收池、第二气体吸收池、第三气体吸收池透射而出的含有光谱信息的激光经过第二平面反射镜、第三平面反射镜和第一凹面镜、第二凹面镜、第三凹面镜将多路光谱信号汇聚到一个光电探测器上；

s5、在光开关的依次通断控制下，光电探测器依次探测接收到多路含有被测气体浓度信息的光信号，并将其转化成为电信号，经内置的前置放大电路进行放大；

s6、所述的缩相放大模块对放大后的各路浓度电信号进行解调、降噪和二次谐波信号提取；数据采集模块对二次谐波信号进行采集，并将信号送入数据处理和显示模块，数据处理和显示模块根据设定的通断顺序和获得信号的前后时间，自动判定各路测量通道所对应的浓度信号，并通过该通道的浓度反演模型，计算得到该通道对应测点的待测气体浓度，从而获得待测对象内的待测气体浓度平面分布结果，并以数据表格或者云图的方式进行显示和储存。

与现有的技术相比，本发明的有益效果为：

本发明中的基于中红外吸收光谱的多通道气体检测系统，可以实现高灵敏度、低检测限、快响应性的准确检测大尺寸监控对象内的气体浓度平面分布状态。本系统仅利用单个中红外激光器和单个光电探测器，通过分束镜和光开关的搭配使用，可实现各路测点气体的检测信号按照设定的光开关通断顺序依次发生，数据的采集和处理按设定的顺序有序进行，整个系统所有通道的检测时间不超过1s，在有效实现多通道多路气体的同步检测的同时，显著降低了设备成本和维护成本。

附图说明

图1为本实施例基于中红外吸收光谱的多通道气体浓度检测系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动性的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护的范围。

如图1所示的基于中红外吸收光谱的多通道气体浓度检测系统主要包括激光温度控制模块1、激光电流控制模块2、中红外激光器3、第一分束镜401、第二分束镜402、第一平面反射镜501、第二平面反射镜502、第三平面反射镜503、第一光开关601、第二光开关602、第三光开关603、第一气体吸收池701、第二气体吸收池702、第三气体吸收池703、第一凹面镜801、第二凹面镜802、第三凹面镜803、光电探测器9、缩相放大模块10、数据采集模块11、数据处理与显示模块12。

本实施例使用的缩相放大模块1和数据采集模块11型号分别为hp-dlia-5和ni-6330，数据处理与显示模块12的型号分别为aimb-501和sk19ga。

所述激光温度控制模块1和激光电流控制模块2分别与数据处理和显示模块12连接，数据处理和显示模块12用于设置激光温度控制模块1和激光电流控制模块2的温度和电流参数，同时设置光开关的通断时间和顺序参数；

所述激光温度控制模块1和激光电流控制模块2均与中红外激光器3连接，产生中红外激光器3的温度控制信号和电流驱动扫描与调制信号，在保证中红外激光器3正常工作的同时，使其扫描波长的变化范围覆盖目标气体在中红外区域的特征光谱吸收线。

中红外激光器3产生的发射激光由所述的第一分束镜401、第二分束镜402按照设定的分束比将发射激光平均分成三束，其中第一分束镜401和第二分束镜402分束后的激光直接通向第一光开关601和第二光开关602，最后一束激光由第一平面反射镜501反射至第三光开关603，三束激光由第一光开关601、第二光开关602和第三光开关603控制入射到对应所述的第一气体吸收池701、第二气体吸收池702和第三气体吸收池703中，组合形成三个测量通道。光开关按照设定的通断顺序和时间，依次有序控制三路激光进入各气体吸收池内，待测气体对其入射激光进行吸收，从而使激光光强削弱，得到透射激光，产生该路待测气体吸收光谱信号。

由各气体吸收池透射而出的含有光谱信息的激光经过第二平面反射镜502和第三平面反射镜503进行反射，并由第一凹面镜801、第二凹面镜802和第三凹面镜803将各路光谱信号汇聚到一个光电探测器9上。

在光开关的依次通断控制下，光电探测器9将依次探测接收到3路含有被测气体浓度信息的光信号，并将其转化成为电信号，经光电探测器9内置的前置放大电路进行放大后，送入缩相放大模块10对放大后的三路浓度电信号进行解调、降噪和二次谐波信号提取；数据采集模块11对三路二次谐波信号进行采集，并将信号送入数据处理和显示模块12。最终在数据处理和显示模块12中完成各路浓度的反演、显示和储存等。

基于中红外吸收光谱的多通道气体浓度检测系统的检测方法，包括以下步骤：

s1、在某工业过程或安全监控中，对需要探测气体浓度平面分布的待测对象空间内，布置三个网格化或矩阵化的测量点。通过采样的方式将待测对象空间内3个布置测点的气体取出，并经过除尘、冷凝之后，将常温、常压下三个测点的洁净待测气体符合测量要求以一定的流量，通过管线通入到系统的第一气体吸收池701、第二气体吸收池702和第三气体吸收池703中，随后由各气体池的排气口排出，保证在正常工作时系统各个气体池内始终保持有待测点新鲜气体的流动，使其能够实时反映各个测点气体浓度的动态变化。

s2、由数据处理和显示模块12设置激光温度控制模块1、激光电流控制模块2的相关参数，产生中红外激光器3的温度控制信号和电流驱动扫描信号，在保证中红外激光器3正常工作的同时，使其扫描波长的变化范围覆盖目标气体在中红外区域的特征光谱吸收线。中红外激光器3产生发射激光。此外，启动光开关，由数据处理和显示模块12设置第一光开关601、第二光开关602、第三光开关603的通断时间和通断顺序。

s3、中红外激光器3产生的发射激光由所述的第一分束镜401、第二分束镜402按照固定的分束比将发射激光分成三束，分束后的激光由第一光开关601、第二光开关602、第三光开关603控制各路激光入射到对应所述的第一气体吸收池701、第二气体吸收池702、第三气体吸收池703中，组合形成三个测量通道。光开关按照设定的通断顺序和时间，依次有序控制三路激光进入各气体吸收池内，待测气体对其入射激光进行吸收，从而使激光光强削弱，得到透射激光，产生该路待测气体吸收的光谱信号；

s4、由各气体吸收池透射而出的含有光谱信息的激光经过第二平面反射镜502和第三平面反射镜503反射，之后由第一凹面镜801、第二凹面镜802和第三凹面镜803将各路光谱信号汇聚到一个光电探测器9上。

s5、光电探测器9根据设定的光开关通断顺序和时间，依次探测和接收到从第一气体吸收池701、第二气体吸收池702、第三气体吸收池703透射出的3路含有被测气体浓度信息的光信号，将其转化成为电信号后，经内置的前置放大电路进行放大；

s6、所述的缩相放大模块10对放大后的三路浓度电信号进行解调、降噪和谐波信号提取；数据采集模块11对三路谐波信号进行采集，并将信号送入数据处理和显示模块12。数据处理和显示模块12对三路的二次谐波信号峰值进行分别提取，并将其与对应的配置浓度做最小二乘拟合，获得各路的谐波信号峰值与浓度的关系式，通常为yn浓度=anx信号峰值+bn（其中，yn浓度为第n通道待测气体浓度，an为第n通道的通道系数，bn为第n通道的通道影响因子），从而建立各自的浓度反演模型。当各路气体吸收池通入待测对象内平面分布测点的未知浓度气体时，可根据产生的二次谐波信号，结合建立的浓度反演模型反演出各路气体的浓度值，得到待测对象内待测的气体浓度平面分布结果，并以数据表格或者云图的方式进行显示和储存。

三路气体浓度的测量、信号解调和提取、数据采集以及浓度反演与显示的总时间不超过1s。

由激光分束和多个气体池组合形成的多个测量通道不限于三个，可以为多个，从而完成多通道多路气体浓度的同步检测。

以上的实施仅仅是对本发明的一种实施方式进行描述，但不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出多个变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。