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一種檢測目標(biāo)氣體濃度的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種檢測目標(biāo)氣體濃度的方法及裝置，所述方法用于待測氣體中的目標(biāo)氣體對激光吸收強度與本底相當(dāng)?shù)那闆r下，所述方法包括：選擇目標(biāo)氣體及參比氣體；選擇目標(biāo)氣體的一個吸收峰作為目標(biāo)吸收峰，選擇參比氣體的一個吸收峰作為參比吸收峰；獲得參比吸收峰所對應(yīng)電流值處的基波強度；利用目標(biāo)吸收峰及參比吸收峰所對應(yīng)的電流值的差值，獲得待測氣體中目標(biāo)吸收峰所對應(yīng)電流值處由于吸收產(chǎn)生的二次諧波強度；根據(jù)所述目標(biāo)吸收峰所對應(yīng)電流值處的二次諧波的強度及參比吸收峰所對應(yīng)電流值處的基波強度獲得待測氣體的中目標(biāo)氣體的濃度。應(yīng)用本發(fā)明，在不增加體積和成本的條件下準(zhǔn)確的計算出了氣體濃度，消除了本底的影響。
【專利說明】一種檢測目標(biāo)氣體濃度的方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣體檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種目標(biāo)氣體是弱吸收氣體時檢測目標(biāo)氣體濃度的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]應(yīng)用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS, Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy)方法進行氣體濃度檢測時,一般采用波長調(diào)制技術(shù)(WMS),通過掃描交流信號的直流偏置點來掃描波長的中心頻率，從而得到吸收峰附近信號二次諧波的變化曲線。由于激光器PI曲線在線性區(qū)并非絕對的直線，加上系統(tǒng)中的非線性因素如放大器，模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD)等引入的非線性，即使在待測氣體濃度為零的時候，得到的二次諧波值也不會完全為0，而是存在一個本底。在大多數(shù)情況下，由于氣體對光的吸收造成的非線性要比這個本底大得多，因此可以忽略這個本底，認(rèn)為二次諧波的峰值點就是吸收峰中心位置，并且根據(jù)該位置二次諧波的幅值計算待測氣體的含量，并且根據(jù)該位置的一次諧波強度表征當(dāng)前的激光強度，消除光強對測量結(jié)果的影響。
[0003]當(dāng)待測氣體的濃度很低時，由于本底的形狀起伏，單純的二次諧波峰值已經(jīng)不再可以表征吸收峰的位置，下面以一氧化氮氣體為例，進行說明。
[0004]如圖1所示，圖1中左圖是NO濃度從O-1OOOppm時的二次諧波掃描曲線的變化曲線，右圖是各曲線減去Oppm后的曲線，也即是減去本底后的變化曲線。實際的吸收峰位置應(yīng)該是右圖中二次曲線的峰值位置，也就是圖1右圖所示的70對應(yīng)的位置，而如果不扣除本底，二次曲線的峰值位置在圖1左圖所示的85左右。
[0005]現(xiàn)有的解決上述問題的方法是雙路平衡法，即一路參考光路，一路探測光路，讓參考光路通過高濃度的目標(biāo)氣體，而探測光路通過實際待測氣體；通過調(diào)整直流電流點使得兩路測得的一次諧波相等來鎖定吸收峰的位置。從而可以無視本底得到吸收峰的位置。這種方法至少存在以下問題:
[0006]1、由于增加了一條參考光路，增加了體積和成本；
[0007]2、由于參考光路與探測光路處于不同的環(huán)境，無法消除由于散射等原因所導(dǎo)致的光強損失所帶來的影響，因此無法準(zhǔn)確地消除本底所造成的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明實施例提供一種檢測目標(biāo)氣體濃度的方法及裝置，在不增加體積和成本的條件下能夠準(zhǔn)確計算氣體濃度，消除本底的影響。
[0009]本發(fā)明公開了一種檢測目標(biāo)氣體濃度的方法，用于待測氣體中的目標(biāo)氣體對激光吸收強度與本底相當(dāng)?shù)那闆r下，所述方法包括:
[0010]選擇目標(biāo)氣體及參比氣體；
[0011]選擇目標(biāo)氣體的一個吸收峰作為目標(biāo)吸收峰，選擇參比氣體的一個吸收峰作為參比吸收峰；[0012]獲得參比吸收峰所對應(yīng)電流值處的基波強度；利用目標(biāo)吸收峰及參比吸收峰所對應(yīng)的電流值的差值，獲得待測氣體中目標(biāo)吸收峰所對應(yīng)電流值處由于吸收產(chǎn)生的二次諧波強度；
[0013]根據(jù)所述目標(biāo)吸收峰所對應(yīng)電流值處的二次諧波的強度及參比吸收峰所對應(yīng)電流值處的基波強度獲得待測氣體的中目標(biāo)氣體的濃度。
[0014]其中，所述獲得參比吸收峰所對應(yīng)電流值處的基波強度；利用目標(biāo)吸收峰及參比吸收峰所對應(yīng)的電流值的差值，獲得待測氣體中目標(biāo)吸收峰所對應(yīng)電流值處由于吸收產(chǎn)生的二次諧波強度的步驟包括:
[0015]在目標(biāo)氣體的濃度超過第一預(yù)設(shè)值時，測量目標(biāo)吸收峰和參比吸收峰中心位置分別所對應(yīng)的激光器的電流值，計算二者的電流差值A(chǔ)D，并保存；
[0016]在無目標(biāo)氣體的氣體中，測量參比吸收峰中心位置所對應(yīng)電流值D2tl，并測量電流值D2tl處的一次諧波的幅值A(chǔ)tl，以及同等條件下電流值為(D2tl-AD)處的二次諧波值I2ftl，并保存；
[0017]測量待測氣體中參比吸收峰中心位置所對應(yīng)的電流值D2，并測量電流值D2處的一次諧波幅值A(chǔ) ;再測量激光器電流值為D1 = D2-AD位置的二次諧波值I2fw ;利用已保存的在無待測氣體的條件下測量得到的參比吸收峰的一次諧波的幅值A(chǔ)tl，以及電流值為(D20-AD)處的二次諧波值I2ftl，計算本底f (A) = I2ftl X AAtl，令激光器電流為D1的目標(biāo)吸收峰二次諧波強度I2f = I2fji _f (A)。
[0018]其中，根據(jù)所述目標(biāo)吸收峰所對應(yīng)電流值處的二次諧波的強度及參比吸收峰所對應(yīng)電流值處的基波強度獲得待測氣體的中目標(biāo)氣體的濃度的步驟包括:
[0019]計算I2f與A的比值，其中，I2f是目標(biāo)吸收峰所對應(yīng)電流值處的二次諧波強度，A為參比吸收峰所對應(yīng)電流值處的一次諧波幅強度；
[0020]根據(jù)所述I2f與A的比值獲得待測氣體的中目標(biāo)氣體的濃度。
[0021 ] 其中，所述目標(biāo)氣體包括氮氧化物。
[0022]其中，所述參比氣體包括水氣或二氧化碳?xì)怏w。
[0023]本發(fā)明還公開了一種檢測目標(biāo)氣體濃度的裝置，用于待測氣體中的目標(biāo)氣體對激光吸收強度與本底相當(dāng)?shù)那闆r下，所述裝置包括:
[0024]吸收峰選擇單元，用于選擇目標(biāo)氣體及參比氣體，并選擇目標(biāo)氣體的一個吸收峰作為目標(biāo)吸收峰，選擇參比氣體的一個吸收峰作為參比吸收峰；
[0025]諧波強度計算單元，用于獲得參比吸收峰所對應(yīng)電流值處的基波強度；利用目標(biāo)吸收峰及參比吸收峰所對應(yīng)的電流值的差值，獲得待測氣體中目標(biāo)吸收峰所對應(yīng)電流值處由于吸收產(chǎn)生的二次諧波強度；
[0026]濃度計算單元，用于根據(jù)所述目標(biāo)吸收峰所對應(yīng)電流值處的二次諧波的強度及參比吸收峰所對應(yīng)電流值處的基波強度獲得待測氣體的中目標(biāo)氣體的濃度。
[0027]其中，所述諧波強度計算單元包括:
[0028]第一計算子單元，用于在目標(biāo)氣體的濃度超過第一預(yù)設(shè)值時，測量目標(biāo)吸收峰和參比吸收峰中心位置分別所對應(yīng)的激光器的電流值，計算二者的電流的差值A(chǔ)D，并保存；
[0029]第二計算子單元，用于在無目標(biāo)氣體的氣體中，測量參比吸收峰中心位置所對應(yīng)電流值D2tl，并測量電流值D2tl處的參比吸收峰的一次諧波的幅值A(chǔ)tl，以及同等條件下電流值為(D2tl-AD)處的二次諧波值I2ftl，并保存；
[0030]第三計算子單元，用于測量待測氣體中參比吸收峰中心位置所對應(yīng)的電流值D2,并測量電流值D2處的一次諧波幅值A(chǔ) ;再測量激光器電流值為D1 = D2-AD位置的二次諧波值I2f? ;利用已保存的在無待測氣體的條件下測量得到的參比吸收峰的一次諧波的幅值A(chǔ)。，以及電流值為(D2tl-AD)處的二次諧波值I2ftl，計算本底f (A) = I2ftlXAAtl，令激光器電流為D1的目標(biāo)吸收峰二次諧波強度I2f = I2f*-f (A)。
[0031]其中，所述濃度計算單元包括:
[0032]第四計算子單元，用于計算I2f與A的比值，其中，I2f是目標(biāo)吸收峰所對應(yīng)電流值處的二次諧波強度，A為參比吸收峰所對應(yīng)電流值處的一次諧波幅強度；
[0033]第五計算子單元，用于根據(jù)所述I2f與A的比值獲得待測氣體的中目標(biāo)氣體的濃度。
[0034]其中，所述目標(biāo)氣體包括氮氧化物。
[0035]其中，所述參比氣體包括水氣或二氧化碳?xì)怏w。
[0036]應(yīng)用本發(fā)明實施例提供的方法及裝置，通過目標(biāo)吸收峰及參比吸收峰所對應(yīng)的電流值，獲得待測氣體中目標(biāo)氣體由于吸收產(chǎn)生的二次諧波強度，根據(jù)所述二次諧波的強度獲得待測氣體的中目標(biāo)氣體的濃度。在不增加體積和成本的條件下準(zhǔn)確的計算出了氣體濃度，消除了本底的影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使 用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0038]圖1是濃度逐漸增加時二次諧波掃描曲線對比圖；
[0039]圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的檢測目標(biāo)氣體濃度的方法流程圖；
[0040]圖3是現(xiàn)有的在波長為1.795-1.796nm之間的特征吸收譜線圖；
[0041 ] 圖4是現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)NO氣室下的吸收峰譜線圖；
[0042]圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的檢測目標(biāo)氣體濃度的裝置邏輯結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0043]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0044]本申請實施例中，利用激光吸收譜線相對位置固定的特點，通過測量附近的較強吸收峰的氣體位置來得到待測氣體的吸收峰位置即吸收峰所對應(yīng)的電流值，并通過較強吸收峰的一次諧波作為光強修正，用于扣除本底。
[0045]為了便于說明下面先對一些概念做解釋。
[0046]本底，由于激光器的P-1曲線的非線性，以及存在的其他系統(tǒng)非線性，即使在沒有待測氣體的情況下，測量得到的待測氣體的二次諧波值也不會為O，這個非O值稱為本底；
[0047]強吸收峰:如果某種氣體的吸收峰由于吸收造成的二次諧波強度值遠(yuǎn)大于本底，則該吸收峰被稱為強吸收峰，該強吸收峰所對應(yīng)的氣體稱為強吸收氣體。例如，某個吸收峰由于吸收造成的二次諧波強度值大于10倍的本底值，則該吸收峰可以被稱為強吸收峰；這里，如果吸收強度與濃度的乘積值較大，一種可能的情況是吸收強度較低但是待測環(huán)境下該氣體的濃度很高，另一種可能的情況是濃度較低但是吸收強度高；
[0048]弱吸收峰:是與強吸收氣體相對的概念，如果某種氣體的吸收峰由于吸收造成的二次諧波強度值與本底相當(dāng)，則該吸收峰被稱為弱吸收峰，該弱吸收峰所對應(yīng)的氣體稱為弱吸收氣體。
[0049]參見圖2，其是根據(jù)本發(fā)明實施例的檢測目標(biāo)氣體濃度的方法流程圖，本實施例用于待測氣體中的目標(biāo)氣體對激光吸收強度與本底相當(dāng)?shù)那闆r下，所述方法具體包括:
[0050]步驟201,選擇目標(biāo)氣體及參比氣體；
[0051]這里，所述參比氣體是濃度乘以吸收強度遠(yuǎn)大于目標(biāo)氣體的濃度乘以吸收強度的氣體，當(dāng)然該參比氣體要在待測環(huán)境中存在；目標(biāo)氣體是待測物，例如，要測量汽車尾氣中氮氧化物氣體的含量，則汽車尾氣就是待測氣體，氮氧化物氣體就是目標(biāo)氣體，而汽車尾氣中所含的水氣就可以作為參比氣體。
[0052]通常，在目標(biāo)氣體是弱吸收氣體的情況下，參比氣體是強吸收氣體。
[0053]步驟202，選擇目標(biāo)氣體的一個吸收峰作為目標(biāo)吸收峰，選擇參比氣體的一個吸收峰作為參比吸收峰；
[0054]這里，可以選擇目標(biāo)氣體的一個吸收峰作為目標(biāo)吸收峰，選擇與目標(biāo)吸收峰距離較近的參比氣體的一個吸收峰作為參比吸收峰。通常，目標(biāo)吸收峰和參比吸收峰之間的距離范圍，是電流調(diào)制可以達(dá)到的范圍，一般在零點幾個納米，然而又不能過于接近，以免吸收截面重合相互影響。
[0055]選擇確定后，吸收峰位置所對應(yīng)的電流值的差值隨即確定。
[0056]步驟203，獲得參比吸收峰所對應(yīng)電流值處的基波強度；利用目標(biāo)吸收峰及參比吸收峰所對應(yīng)的電流值的差值，獲得待測氣體中目標(biāo)吸收峰所對應(yīng)電流值處由于吸收產(chǎn)生的二次諧波強度；
[0057]本步驟可以具體包括:
[0058]a)在目標(biāo)氣體的濃度較大時，例如超過第一預(yù)設(shè)值時，測量目標(biāo)吸收峰和參比吸收峰中心位置分別所對應(yīng)的激光器的電流值，計算二者的電流差值A(chǔ)D ;其中，上述第一預(yù)設(shè)值可以是10%，也即，當(dāng)目標(biāo)氣體的濃度超過10%測量差值A(chǔ)D。
[0059]b)在無目標(biāo)氣體的氣體中，測量參比吸收峰中心位置所對應(yīng)電流值D2tl，并測量電流值D2tl處的一次諧波的幅值A(chǔ)tl，以及同等條件下電流值為(D2tl-AD)處的二次諧波值I2fQ，并保存；
[0060]c)測量待測氣體中參比吸收峰中心位置所對應(yīng)的電流值D2,并測量電流值D2處的一次諧波幅值A(chǔ) ;再測量激光器電流值為D1 = D2-AD位置的二次諧波值I2fa ;利用已保存的在無待測氣體的條件下測量得到的參比吸收峰的一次諧波的幅值A(chǔ)tl，以及電流值為(D20-AD)處的二次諧波值I2ftl，計算本底f (A) = I2ftl X AAtl，令激光器電流為D1的目標(biāo)吸收峰二次諧波強度I2f = I2fji _f (A)。[0061]需要說明的是，上述步驟a)、b)屬于預(yù)處理的步驟，即在實際測量待測氣體濃度之前要先獲得的數(shù)據(jù)。
[0062]步驟104，根據(jù)所述目標(biāo)吸收峰所對應(yīng)電流值處的二次諧波的強度及參比吸收峰所對應(yīng)電流值處的基波強度獲得待測氣體的中目標(biāo)氣體的濃度。
[0063]這里，計算待測氣體的中目標(biāo)氣體濃度的具體過程與現(xiàn)有技術(shù)基本相同，這里僅做簡單說明。 [0064]當(dāng)光線通過某種氣體后，它將受到氣體的吸收，其出射光強由Beer-Lambert公式?jīng)Q定
[0065]
【權(quán)利要求】
1.一種檢測目標(biāo)氣體濃度的方法，其特征在于，用于待測氣體中的目標(biāo)氣體對激光吸收強度與本底相當(dāng)?shù)那闆r下，所述方法包括: 選擇目標(biāo)氣體及參比氣體； 選擇目標(biāo)氣體的一個吸收峰作為目標(biāo)吸收峰，選擇參比氣體的一個吸收峰作為參比吸收峰； 獲得參比吸收峰所對應(yīng)電流值處的基波強度；利用目標(biāo)吸收峰及參比吸收峰所對應(yīng)的電流值的差值，獲得待測氣體中目標(biāo)吸收峰所對應(yīng)電流值處由于吸收產(chǎn)生的二次諧波強度； 根據(jù)所述目標(biāo)吸收峰所對應(yīng)電流值處的二次諧波的強度及參比吸收峰所對應(yīng)電流值處的基波強度獲得待測氣體的中目標(biāo)氣體的濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述獲得參比吸收峰所對應(yīng)電流值處的基波強度；利用目標(biāo)吸收峰及參比吸收峰所對應(yīng)的電流值的差值，獲得待測氣體中目標(biāo)吸收峰所對應(yīng)電流值處由于吸收產(chǎn)生的二次諧波強度的步驟包括: 在目標(biāo)氣體的濃度超過第一預(yù)設(shè)值時，測量目標(biāo)吸收峰和參比吸收峰中心位置分別所對應(yīng)的激光器的電流值，計算二者的電流差值△ D，并保存； 在無目標(biāo)氣體的氣體中，測量參比吸收峰中心位置所對應(yīng)電流值D2tl，并測量電流值D2tl處的一次諧波的幅值A(chǔ)tl，以及同等條件下電流值為(D2tl-AD)處的二次諧波值I2ftl，并保存； 測量待測氣體中參比吸收峰中心位置所對應(yīng)的電流值D2,并測量電流值D2處的一次諧波幅值A(chǔ) ;再測量激光器電流值為D1 = D2-A D位置的二次諧波值I2fa ;利用已保存的在無待測氣體的條件下測量得到的參比吸收峰的一次諧波的幅值A(chǔ)tl,以及電流值為(D2tl-AD)處的二次諧波值I2ftl，計算本底f (A) = I2ftlXAAtl，令激光器電流為D1的目標(biāo)吸收峰二次諧波強度〗2f = l2f JI _f (A)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述目標(biāo)吸收峰所對應(yīng)電流值處的二次諧波的強度及參比吸收峰所對應(yīng)電流值處的基波強度獲得待測氣體的中目標(biāo)氣體的濃度的步驟包括: 計算I2f與A的比值，其中，I2f是目標(biāo)吸收峰所對應(yīng)電流值處的二次諧波強度，A為參比吸收峰所對應(yīng)電流值處的一次諧波幅強度； 根據(jù)所述I2f與A的比值獲得待測氣體的中目標(biāo)氣體的濃度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述目標(biāo)氣體包括氮氧化物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述參比氣體包括水氣或二氧化碳?xì)怏w。
6.一種檢測目標(biāo)氣體濃度的裝置，其特征在于，用于待測氣體中的目標(biāo)氣體對激光吸收強度與本底相當(dāng)?shù)那闆r下，所述裝置包括: 吸收峰選擇單元，用于選擇目標(biāo)氣體及參比氣體，并選擇目標(biāo)氣體的一個吸收峰作為目標(biāo)吸收峰，選擇參比氣體的一個吸收峰作為參比吸收峰； 諧波強度計算單元，用于獲得參比吸收峰所對應(yīng)電流值處的基波強度；利用目標(biāo)吸收峰及參比吸收峰所對應(yīng)的電流值的差值，獲得待測氣體中目標(biāo)吸收峰所對應(yīng)電流值處由于吸收產(chǎn)生的二次諧波強度； 濃度計算單元，用于根據(jù)所述目標(biāo)吸收峰所對應(yīng)電流值處的二次諧波的強度及參比吸收峰所對應(yīng)電流值處的基波強度獲得待測氣體的中目標(biāo)氣體的濃度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述諧波強度計算單元包括: 第一計算子單元，用于在目標(biāo)氣體的濃度超過第一預(yù)設(shè)值時，測量目標(biāo)吸收峰和參比吸收峰中心位置分別所對應(yīng)的激光器的電流值，計算二者的電流的差值A(chǔ)D，并保存； 第二計算子單元，用于在無目標(biāo)氣體的氣體中，測量參比吸收峰中心位置所對應(yīng)電流值D2tl,并測量電流值D2tl處的參比吸收峰的一次諧波的幅值A(chǔ)tl,以及同等條件下電流值為(D20-AD)處的二次諧波值I2ftl，并保存； 第三計算子單元，用于測量待測氣體中參比吸收峰中心位置所對應(yīng)的電流值D2，并測量電流值D2處的一次諧波幅值A(chǔ) ;再測量激光器電流值SD1 = D2-AD位置的二次諧波值I2f測;利用已保存的在無待測氣體的條件下測量得到的參比吸收峰的一次諧波的幅值A(chǔ)tl,以及電流值為(D2tl-AD)處的二次諧波值I2ftl，計算本底f (A) = I2ftl X AAtl，令激光器電流為DJA目標(biāo)吸收峰二次諧波強度I2f = I2fw (A)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述濃度計算單元包括: 第四計算子單元，用于計算I2f與六的比值，其中，I2f是目標(biāo)吸收峰所對應(yīng)電流值處的二次諧波強度，A為參比吸收峰所對應(yīng)電流值處的一次諧波幅強度； 第五計算子單元，用于根據(jù)所述I2f與A的比值獲得待測氣體的中目標(biāo)氣體的濃度。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述目標(biāo)氣體包括氮氧化物。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述參比氣體包括水氣或二氧化碳?xì)怏w。
【文檔編號】G01N21/39GK103575696SQ201210258573
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月25日
【發(fā)明者】鞠昱, 韓立, 謝亮, 孫可 申請人:中國科學(xué)院電工研究所