[发明专利]一种基于激光吸收光谱的气体浓度在线测量方法

摘要

一种基于激光吸收光谱的气体浓度在线测量方法，属于可调谐激光二极管吸收光谱技术领域。该方法对Beer-Lambert定律进行二阶泰勒近似，并基于吸收信号二次谐波与背景信号一次谐波的比值确定气体浓度，无需标定实验。测量中在谱线中心频率处对激光器进行高频调制，并对采集到的信号进行离散傅里叶变换(DFT)得到各次谐波信号。该方法提高了气体测量精度，并使得波长调制技术可应用于强吸收条件下，扩展了TDLAS的应用范围。在实验中无需对激光器进行标定和应用锁相技术，简化了测量过程及测量系统，有利于TDLAS技术的广泛应用。

主权项

1.一种基于激光吸收光谱的气体浓度在线测量方法，其特征是该方法包括如下步骤：1)根据待测气体种类，从美国高分辨率光谱数据库中选取相应的吸收光谱谱线，并提取其光谱参数：中心频率v₀、线强度S(T)、自身加宽系数r_self和空气加宽系数r_air；2)以可调谐半导体激光器(3)为光源，调节激光控制器(2)的温度及电流，使激光器的输出频率稳定在v₀处，并用波长计(4)进行标定和监测；3)将信号发生器(1)产生的高频正弦信号输入到激光控制器(2)，以调制可调谐半导体激光器的输出频率；通过调节正弦信号的幅度，使调制系数m稳定在2.1～2.3；4)将气室(5)抽真空，并将准直后的激光输入气室内，透过气室的激光由光电探测器(6)接收，输入示波器(7)进行采集，此时采集的信号记为背景信号R，背景信号R的光强记为I₀；然后将气室内充满待测气体，再由光电探测器接收透射激光，并由示波器采集，此时采集的信号记为吸收信号S，吸收信号S的光强记为I_t，并通过压力传感器(10)和温度传感器(11)分别测量出气室内压力P和温度T，激光吸收光程L由游标卡尺测量；背景信号R的激光强度I₀用下式表示：I0=I‾0[1+i1cos(ωt+ψ1)]---(1)]]>其中为激光平均强度，i₁为调幅系数，ψ₁为光强调制与波长调制的相位差，ω为正弦信号的角频率，均根据实验测定；5)对所采集的背景信号R的光强I₀和吸收信号S的光强I_t分别进行离散傅里叶变换，得到背景信号R的各次谐波R_nf和吸收信号S的各次谐波S_nf的幅值；求得吸收信号二次谐波与背景信号一次谐波的幅值比R_2f/1f＝S_2f/R_1f；6)根据步骤1)中所选择吸收谱线的光谱参数：线强度S(T)，自身加宽系数r_self，空气加宽系数r_air，以及所测的的待测气体压力P和温度T，确定福伊特线型函数并代入公式(2)求出线型函数的傅里叶系数H_k；其中，θ是积分变量；将H_k代入公式(3)求出T₂，T2=H122+2H0H2+H1H3+H2H4+H3H5+...+HnHn+2,n=1,2,3...---(3)]]>通常计算到n＝20即收敛；7)将环境参数气体压力P、激光吸收光程L，谱线线强度S(T)，R_2f/1f和调幅系数i₁以及所计算参数H₂、T₂，代入下式(4)X=H2+H22+2T2i1.R2f/1fPS(T)LT2---(4)]]>即求得待测气体的浓度X。