[发明专利]用于在吸收光谱法中修正入射光波动的方法和系统

说明书

一种用于在被用于检测或测量介质中的化学种类的吸收光谱系统中修正透射光的强度波动效应的方法和系统，由此，向通过介质的光束施加一个或多个调制突发。可通过对可调谐二极管激光器的偏流进行调制来获得此突发信号，并且调制突发信号可最佳地处于波长调制光束的调制频率的二次谐波以允许对二次谐波检测系统使用被用于被测对象光谱检测的相同信号路径处理。可以使用平滑窗函数来控制突发信号以使在可调谐二极管激光器波长调制光谱系统中固有的、光学干扰边缘(基准)和由背景化学种类或被测对象在与调制突发一致的波长下进行的残余光吸收的非线性扰动效应最小化。

技术领域

本发明一般地涉及吸收光谱法且特别地涉及可调谐二极管激光吸收光谱法。特别地，本发明应用于由诸如工业、医学或生理过程之类的人工或自然过程产生的气体中的一个或多个种类(species)的检测和测量。

背景技术

可调谐激光器波长调制光谱法在各种应用中被广泛地使用。一个此类应用是物质中的化学种类(被测对象)的量的量化，特别是在其中传统技术不适当或拙劣的人工或自然过程中，诸如工业、医学或生理过程气体分析。

典型系统包括可调谐激光源，诸如可调谐二极管激光器(TDL)，其发射聚焦在检测器上的光束。将要分析的物质放置在可调谐激光源与检测器之间，使得入射在检测器上的光由于通过物质的光通路而改变。对光的修改使得能够由被耦合到检测器的信号处理系统来确定被测对象的各种参数。在某些情况下，要分析的物质是由工业过程产生的气体，并且被测对象可以是存在于此过程气体中的一个或多个化学种类。被测对象种类的示例包括但不限于气态水、O₂、CO和CO₂和诸如甲烷之类的碳氢化合物。可使用一个或多个TDL来确定这些被测对象种类中的一个或多个的存在和/或量分数(浓度)。

在激光气体分析仪系统的操作中，在被测对象的一个或多个吸收线上扫描由TDL发射的光束的波长。在所扫描波长范围内的某些特定波长下，光被被测对象吸收，并且可以通过测量通过要分析物质透射的光来检测这些光谱吸收线。这允许获取所需光谱信息以不仅确定被测对象的量分数，而且确定压力、温度或背景混合物组成的影响。在某些情况下，可以使用单个激光源来测量多个被测对象。在这些情况下，跨包括用于所述多个被测对象中的每一个的至少一个可分辨吸收线的波长范围扫描激光源的输出波长。

在设计得很好的系统中，波长调制技术提供非常高的灵敏度和增强的光谱分辨率。特别地，二次谐波波长调制光谱法由于其应对在包括拥挤吸收光谱、灵敏痕量级测量和遮蔽光学透射的工业过程中遇到的多种光谱情况的能力而非常适合于气体分析。

检测器响应与通过被测试物质透射的光强度成比例，其依赖于通过被测试物质透射的光强度以及吸收波长下的被测对象的量分数。因此，由激光源或通过被分析物质的透射引起的光强度的波动将引起被测对象的量分数测量结果中的不确定性。

这用以下关系式示出，其中，等式[1]表示光学吸收的比尔-朗伯定律，其中，u是被测对象的每单位长度的分子密度，I是所检测光量，I₀是入射光量(当分子密度为零时，等于未吸收量)，v是光的频率且k是吸收系数。

在任何特定频率下检测到的光量的变化与分子密度变化有关，如由等式[2]给出，等式[2]还示出了由于入射光量的变化而引起的不确定项。

检测器处的入射光强度的变化可由除被测对象的浓度之外的许多因素引起。例如，变化可以由激光输出的固有波动、过程样本流中的环境光强度水平和/或遮蔽的变化而引起，该变化可由灰尘、柏油、腐蚀或光束不对准的任何组合而引起。环境光强度的遮蔽和改变在熔炉中是可预期的。如果入射光的变化未被修正，则这将导致已处理被测对象浓度的测量不确定性。已开发了某些现有技术以处理这些误差来源。然而，该技术并不非常适合于与TDL一起使用。