[发明专利]一种利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的装置和方法

摘要

本发明公开了一种利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的装置，还公开了一种利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的方法，本发明测量方法基于波长调制吸收光谱技术，使用数字锁相和低通滤波处理透射光强信号得到其扣除背景的二次谐波和一次谐波归一化的二次谐波信号，建立了仿真信号二次谐波峰值特征与压强的关系，同时建立了仿真信号一次谐波归一化二次谐波峰值与浓度的关系，并采用插值的方法计算得到待测气体压强和组分浓度信息。本发明测量方法具有非侵入性、响应速度快、灵敏度高等特点，适用于工业现场气体压强和组分浓度的同时测量。

主权项

1.一种利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的方法，其特征在于：所述方法利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的装置，该装置依次包括函数发生器、温度电流控制器、分布反馈式激光器和激光分束器；函数发生器编译的波形函数经温度电流控制器调控后，再用分布反馈式激光器对出光进行波长调制，调制后的激光通过激光分束器，一路经准直透镜准直后通过测量区域得到吸收信号通过光电探测器传入信号采集系统中；一路先采用准直透镜准直，再经对应波长标准具来确定出光频率和时间的关系，透射光强穿过光电探测器接入信号采集系统进行储存与算法处理；测量区域通过球形阀分别连接真空泵和压强表，真空泵用来调节测量区域的气体压强，压强表用来测量测量区域的气体压强；其中，上述方法具体包括如下步骤：步骤1，通过现场测量得到零吸收背景信号I₀和透射光强信号I_t，使用锁相放大和数字低通滤波器处理I₀、I_t信号，得到测量信号的各次谐波信号；设置参数下标n的初始值为0，同时给出待测气体压力和浓度的初始值分别为P₀、X₀，并设定收敛阈值ε；步骤2，计算I_t对应的扣除背景的二次谐波信号，记为提取三个峰值，计算出两侧峰值之和与中心峰值的比值，记为R^M；计算I_t对应的一次谐波归一化二次谐波信号，记为提取的中心峰值，记为K^M；步骤3，结合组分浓度X_n、I₀和Beer‑Lambert定律，仿真不同压力P下的透射光强对进行参数相同的锁相放大和数字滤波处理，计算对应的扣除背景的二次谐波信号，记为提取的的三个峰值，计算出两侧峰值之和与中心峰值的比值，记为R^P，得到压力P与R^P的关系曲线P‑R^P曲线；步骤4，将R^M带入步骤3中的P‑R^P曲线，使用插值的方法计算得到P_n+1；步骤5，结合压力P_n+1、I₀和Beer‑Lambert定律，仿真不同浓度X下的透射光强对进行参数相同的锁相放大和数字滤波处理，计算对应的一次谐波归一化的二次谐波信号，记为提取的的中心峰值，记为K^X，得到浓度X与K^X的关系曲线X‑K^X曲线；步骤6，将K^M带入步骤5中的X‑K^X曲线，使用插值的方法计算得到X_n+1；步骤7，判断是否满足：|X_n+1‑X_n|/X_n＜ε；若满足，则迭代终止，将P_n+1、X_n+1作为待测气体的压强和组分浓度输出；若不满足，则令n＝n+1，返回步骤3，重复步骤3～步骤7，直至满足终止准则。