CN110987870B 基于波长调制光谱技术的实时监测气体浓度的系统和方法 （天津同阳科技发展有限公司）

(19)国家知识产权局(12)发明专利地址300384天津市滨海新区华苑产业区(72)发明人李永刚张涛李洪刚魏莹莹朱雁军等.基于可调谐激光吸收光谱技术的免校准硫化氢气体传感器.激光杂志.2017,38(05),第40-44页.审查员张佳宁公司11021专利代理师吴梦圆基于波长调制光谱技术的实时监测气体浓输出的激光经准直后通过离轴抛物面镜中的中放大模块利用所述信号发生模块提供的参考信号将所述光电探测模块采集到的电信号进行解领相放大模块遥度控制模块连轴地物面他。目标区域地维横愧光电探测模块21.一种监测气体浓度的系统，其特征在于，包括分布式反馈激光器、信号发生模块、角锥棱镜、离轴抛物面镜、光电探测模块、信号传输模块、锁相放大模块和信号处理模块，其所述分布式反馈激光器输出的激光经准直后通过离轴抛物面镜中的中心孔和目标气体的待测区域，由角锥棱镜反射回至离轴抛物面镜，返回的激光汇聚到所述光电探测模块的光敏区；信号传输模块将所述光电探测模块采集到的电信号传输给锁相放大模块；锁相放大模块利用所述信号发生模块提供的参考信号将所述光电探测模块采集到的电信号进行解调；所述信号处理模块通过滤波器提取2f信号，并利用滤波器对所述提取的信号进行平滑滤波，从而为后续的算法处理提供2f信号和直流信号；所述信号处理模块快速反演浓度的反演具体步骤如下：预采集待测气体区域不同浓度的2f信号和直接吸收信号，进行如下处理：在已知为吸收峰的位置处提取2f波峰的最大值，并在吸收峰两翼的位置处提取2f波谷的左翼最小值和右翼最小值，将最大值减去左翼最小值和右翼最小值的平均值得到2f吸收由于直接吸收信号的点数与2f信号的点数已知相等，选取无吸收峰位置处的某段直接利用直接吸收信号的均值dcmean对2f吸收峰的峰值2fpeak进行归一化处理，得到归一建立浓度与2fmean的非线性关系式；将待测浓度的气体冲入待测气体区域中，计算得到所述归一化的2f值，并将该值代入已建立的非线性关系式，即求得待测气体浓度的真值。2.根据权利要求1所述的监测气体浓度的系统，其特征在于，所述信号发生模块产生锯齿信号和正弦信号，并将正弦信号调制到锯齿信号上作为所述分布式反馈激光器的驱动信所述光电探测模块用于将接收到的光信号转换为含有气体浓度信息的电信号，得到直接吸收信号。3.根据权利要求1所述的监测气体浓度的系统，其特征在于，所述系统还包括温度控制模块，所述温度控制模块用于控制所述分布式反馈激光器的工作温度，内部的二级温控可将温度准确控制在所需的温度，误差为±0.001℃,有效保证了所述分布式反馈激光器输出波长的稳定性；所述系统还包括电流驱动模块，所述电流驱动模块将调制后的电压信号转为电流信号，并对所述分布式反馈激光器进行电流调谐，保证所述分布式反馈激光器发出激光的波长范围完全覆盖目标气体的吸收波长。4.根据权利要求1所述的监测气体浓度的系统，其特征在于，所述系统利用直流信号对2f信号进行归一化处理，内部无需设置参考气室和参考光路，系统复杂度低。5.根据权利要求1所述的监测气体浓度的系统，其特征在于，所述信号处理模块利用FIR滤波器提取气体的吸收谱线。36.根据权利要求1所述的监测气体浓度的系统，其特征在于，所述信号处理模块利用直流信号对2f信号进行归一化处理，并通过建立归一化后2f信号峰值与浓度的二阶关系式，快速反演浓度。7.根据权利要求1所述的监测气体浓度的系统，其特征在于，所述信号发生模块、信号传输模块、锁相放大模块和信号处理模块集成在同一电路板上。8.根据权利要求3所述的监测气体浓度的系统，其特征在于，所述温度控制模块和电流驱动模块集成在同一电路板上。9.一种采用如权利要求1~8任一所述的监测气体浓度的系统进行气体浓度监测的方将所述系统上电自启，信号发生模块产生波形的电压，电流驱动模块将电压信号转换激光信号通过离轴抛物面镜的中心孔，穿过待测气体的目标区域，角锥棱镜将激光信号反射至离轴抛物面镜；离轴抛物面镜将激光汇聚在光电探测模块上，光电探测模块将光信号转换为电压信号，信号传输模块采集电压信号传输给锁相放大模块，锁相放大模块解析出2f信号；判断光强是否满足要求，若不满足要求，则报警，并判断光强是否满足要求；若满足要预采集待测气体区域不同浓度的2f信号和直接吸收信号，进行如下处理：在已知为吸收峰的位置处提取2f波峰的最大值，并在吸收峰两翼的位置处提取2f波谷的左翼最小值和右翼最小值，将最大值减去左翼最小值和右翼最小值的平均值得到2f吸收由于直接吸收信号的点数与2f信号的点数已知相等，选取无吸收峰位置处的某段直接利用直接吸收信号的均值dcmean对2f吸收峰的峰值2fpeak进行归一化处理，得到归一建立浓度与2fmean的非线性关系式；将待测浓度的气体冲入待测气体区域中，计算得到所述归一化的2f值，并将该值代入已建立的非线性关系式，即求得待测气体浓度的真值。4基于波长调制光谱技术的实时监测气体浓度的系统和方法技术领域[0001]本发明涉及尾气排放领域，尤其涉及一种基于波长调制光谱技术的实时监测气体浓度的系统和方法。背景技术[0002]可调谐激光吸收光谱技术利用被测气体中组分的激光吸收特性，可以实现其组分量精准、响应速度快、非入侵感应等优点，在大气环境检测领域具有广阔的应用前景。可调谐激光吸收光谱技术主要分为直接吸收光谱技术和波长调制光谱技术两种方法。[0003]直接吸收光谱技术的工作原理为通过在激光器上注入一定的扫描电流，驱动激光器发出的激光波段完整覆盖气体吸收峰的波段，该激光通过含有含有待测气体的吸收路径并在特定位置被气体吸收，通过光电探测器将被吸收后的光信号转化为电信号，并基线拟合等手段提出吸收峰的特征。直接吸收光谱技术系统简单，易于实现，但是测量结果易受激光器的出射光强等影响，测量结果稳定性差。因此往往通过波长调制光谱技术提高系统的稳定性和测量精度。[0004]波长调制光谱的工作原理为，在激光器的扫描电流上调制频率为f的高频正弦信号，激光器发出的激光经过待测气体吸收后由光电探测器将光信号转化为电信号，并由锁相放大器利用输入信号和噪声信号之间的互不相关性进行相敏检波处理，通过同频(1f)或者倍频(nf)信号对该电信号进行解调并噪声中提取出完整的有用信号，通过谐波信号的幅值与待测气体浓度的关系即可得到待测气体的浓度。频率f的取值为几十kHz至几百kHz,改变高频正弦调制信号的频率和幅值，可有效降低直接吸收光谱技术中的光学噪声。同时，波长调制光谱技术将待检测信息移至高频波段，有效抑制系统中的1/f低频噪声，获得更高的检测精度。[0005]在实际测量中，激光强度易受温度、灰尘、振动等影响导致强度的变化，只根据2f信号反演浓度误差较大，一般通过加入参比池等设置参考光路消除光强变化对测量结果的发明内容[0006]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种监测气体浓度的系统和方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。[0007]为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种监测气体浓度的系统，包括分布式反馈激光器、信号发生模块、角锥棱镜、离轴抛物面镜、光电探测模块、信号传输模[0008]所述分布式反馈激光器输出的激光经准直后通过离轴抛物面镜中的中心孔和目标气体的待测区域，由角锥棱镜反射回至离轴抛物面镜，返回的激光汇聚到所述光电探测模块的光敏区；5[0009]信号传输模块将所述光电探测模块采集到的电信号传输给锁相放大模块；[0010]锁相放大模块利用所述信号发生模块提供的参考信号将所述光电探测模块采集到的电信号进行解调；[0011]所述信号处理模块通过滤波器提取2f信号，并利用滤波器对所述提取的信号进行平滑滤波，从而为后续的算法处理提供2f信号和直流信号。[0012]其中，所述信号发生模块产生锯齿信号和正弦信号，并将正弦信号调制到锯齿信号上作为所述分布式反馈激光器的驱动信号；[0013]所述光电探测模块用于将接收到的光信号转换为含有气体浓度信息的电信号，得到直接吸收信号。[0014]其中，所述系统还包括温度控制模块，所述温度控制模块用于控制所述分布式反馈激光器的工作温度，内部的二级温控可将温度准确控制在所需的温度，误差为±0.001℃,有效保证了所述分布式反馈激光器输出波长的稳定性；[0015]所述系统还包括电流驱动模块，所述电流驱动模块将调制后的电压信号转为电流信号，并对所述分布式反馈激光器进行电流调谐，保证所述分布式反馈激光器发出激光的波长范围完全覆盖目标气体的吸收波长。[0016]其中，所述系统利用直流信号对2f信号进行归一化处理，内部无需设置参考气室[0017]其中，所述信号处理模块利用FIR滤波器提取气体的吸收谱线。[0018]其中，所述信号处理模块利用直流信号对2f信号进行归一化处理，并通过建立归一化后2f信号峰值与浓度的二阶关系式，快速反演浓度。[0020]预采集待测气体区域不同浓度的2f信号和直接吸收信号，进行如下处理：[0021]在已知为吸收峰的位置处提取2f波峰的最大值，并在吸收峰两翼的位置处提取2f波谷的左翼最小值和右翼最小值，将最大值减去左翼最小值和右翼最小值的平均值得到2f[0022]由于直接吸收信号的点数与2f信号的点数已知相等，选取无吸收峰位置处的某段[0023]利用直接吸收信号的均值dcmean对2f吸收峰的峰值2fpeak进行归一化处理，得到[0024]建立浓度与2fmean的非线性关系式；[0025]将待测浓度的气体冲入待测气体区域中，计算得到所述归一化的2f值，并将该值代入已建立的非线性关系式，即求得待测气体浓度的真值。[0026]其中，所述信号发生模块、信号传输模块、锁相放大模块和信号处理模块集成在同一电路板上。[0027]其中，所述温度控制模块和电流驱动模块集成在同一电路板上。[0028]作为本发明的另一方面，还提供了一种监测气体[0029]将所述系统上电自启，信号发生模块产生波形的电压，电流驱动模块将电压信号转换为电流，驱动激光器产生激光信号；[0030]激光信号通过离轴抛物面镜的中心孔，穿过待测气体的目标区域，角锥棱镜将激6光信号反射至离轴抛物面镜；[0031]离轴抛物面镜将激光汇聚在光电探测模块上，光电探测模块将光信号转换为电压信号，信号传输模块采集电压信号传输给锁相放大模块，锁相放大模块解析出2f信号；[0032]判断光强是否满足要求，若不满足要求，则报警，并判断光强是否满足要求；若满足要求，则采集2f信号，并采用快速反演步骤可得到气体浓度。[0034]预采集待测气体区域不同浓度的2f信号和直接吸收信号，进行如下处理：[0035]在已知为吸收峰的位置处提取2f波峰的最大值，并在吸收峰两翼的位置处提取2f波谷的左翼最小值和右翼最小值，将最大值减去左翼最小值和右翼最小值的平均值得到2f[0036]由于直接吸收信号的点数与2f信号的点数已知相等，选取无吸收峰位置处的某段[0037]利用直接吸收信号的均值dcmean对2f吸收峰的峰值2fpeak进行归一化处理，得到[0038]建立浓度与2fmean的非线性关系式；[0039]将待测浓度的气体冲入待测气体区域中，计算得到所述归一化的2f值，并将该值代入已建立的非线性关系式，即求得待测气体浓度的真值。[0040]基于上述技术方案可知，本发明的监测气体浓度的系统和方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：[0041]1、本发明的方法通过实时采集环境气体的吸收信号作为待扣除的背景曲线，无需在系统内部设置参考气室，避免气室的密闭性和气体的吸附性等对测量结果产生影响；[0042]2、本发明的系统通过选择恰当的滤波系数，利用FIR滤波器提取气体的吸收谱线，降低噪声的干扰；[0043]3、本发明利用直流信号对2f信号进行归一化处理，消除激光光强抖动及灰尘等对光强的影响，并通过建立归一化后2f信号峰值与浓度的二阶线性关系式，快速反演浓度；[0044]4、本系统中将信号发生模块、锁相放大模块、信号处理模块等功能集中到一块电路板上，将激光器的电流驱动模块和温度控制模块的功能集中到一块电路板上，便于系统的模块化和集成化。附图说明[0045]图1为本发明实施例的硬件系统的工作流程图；[0046]图2为本发明实施例的监测方法流程图；[0047]图3为本发明实施例1中CO吸收峰与浓度的光谱图；[0048]图4为本发明实施例1中CO浓度与2fmean的二阶非线性拟合图；[0049]图5为本发明实施例2中CO₂吸收峰与浓度的光谱图；[0050]图6为本发明实施例2中CO₂浓度与2fmean的二阶非线性拟合图。具体实施方式[0051]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照7附图，对本发明作进一步的详细说明。[0052]本发明公开了一种基于波长调制光谱技术的实时监测气体浓度的系统和方法，通过将信号发生模块、锁相放大模块、信号处理模块等功能集中到一块电路板上，将激光器的电流驱动模块和温度控制模块的功能集中到一块电路板上，便于系统的模块化和集成化；通过实时采集环境气体的吸收信号作为待扣除的背景曲线，无需在系统内部设置参考气室，避免气室的密闭性和气体的吸附性等对测量结果产生影响；本发明的系统通过选择恰当的滤波系数，利用FIR滤波器提取气体的吸收谱线，降低噪声的干扰；利用直流信号对2f信号进行归一化处理，消除激光器光强抖动等对光强的影响，并通过建立归一化后2f信号峰值与浓度的二阶关系式，快速反演浓度。[0053]具体的，如图1所示，为本发明实施例的硬件系统的工作流程图。本发明公开了一[0054]所述分布式反馈激光器输出的激光经准直后通过离轴抛物面镜中的中心孔和目标气体的待测区域，由角锥棱镜反射回至离轴抛物面镜，返回的激光汇聚到所述光电探测模块的光敏区；[0055]信号传输模块将所述光电探测模块采集到的电信号传输给锁相放大模块；[0056]锁相放大模块利用所述信号发生模块提供的参考信号将所述光电探测模块采集到的电信号进行解调；[0057]所述信号处理模块通过滤波器提取2f信号，并利用滤波器对所述提取的信号进行平滑滤波，从而为后续的算法处理提供2f信号和直流信号。[0058]其中，所述信号发生模块产生锯齿信号和正弦信号，并将正弦信号调制到锯齿信号上作为所述分布式反馈激光器的驱动信号；[0059]所述光电探测模块用于将接收到的光信号转换为含有气体浓度信息的电信号，得到直接吸收信号。[0060]其中，所述系统还包括温度控制模块，所述温度控制模块用于控制所述分布式反馈激光器的工作温度，内部的二级温控可将温度准确控制在所需的温度，误差为±0.001℃,有效保证了所述分布式反馈激光器输出波长的稳定性；[0061]所述系统还包括电流驱动模块，所述电流驱动模块将调制后的电压信号转为电流信号，并对所述分布式反馈激光器进行电流调谐，保证所述分布式反馈激光器发出激光的波长范围完全覆盖目标气体的吸收波长。[0062]其中，所述系统利用直流信号对2f信号进行归一化处理，内部无需设置参考气室[0063]其中，所述信号处理模块利用FIR滤波器提取气体的吸收谱线。[0064]其中，所述信号处理模块利用直流信号对2f信号进行归一化处理，并通过建立归一化后2f信号峰值与浓度的二阶关系式，快速反演浓度。[0066]预采集待测气体区域不同浓度的2f信号和直接吸收信号，进行如下处理：[0067]在已知为吸收峰的位置处提取2f波峰的最大值，并在吸收峰两翼的位置处提取2f波谷的左翼最小值和右翼最小值，将最大值减去左翼最小值和右翼最小值的平均值得到2f8[0068]由于直接吸收信号的点数与2f信号的点数已知相等，选取无吸收峰位置处的某段直接吸收信号，并对该段直接吸收信号求均值[0069]利用直接吸收信号的均值dcmean对2f吸收峰的峰值2fpeak进行归一化处理，得到[0070]建立浓度与2fmean的非线性关系式；[0071]将待测浓度的气体冲入待测气体区域中，计算得到所述归一化的2f值，并将该值代入已建立的非线性关系式，即求得待测气体浓度的真值。[0072]其中，所述信号发生模块、信号传输模块、锁相放大模块和信号处理模块集成在同一电路板上。[0073]其中，所述温度控制模块和电流驱动模块集成在同一电路板上。[0074]如图2所示，为本发明实施例的监测方法流程图。该方法包括以下步骤：[0075]将所述系统上电自启，信号发生模块产生波形的电压，电流驱动模块将电压信号转换为电流，驱动激光器产生激光信号；[0076]激光信号通过离轴抛物面镜的中心孔，穿过待测气体的目标区域，角锥棱镜将激光信号反射至离轴抛物面镜；[0077]离轴抛物面镜将激光汇聚在光电探测模块上，光电探测模块将光信号转换为电压信号，信号传输模块采集电压信号传输给锁相放大模块，锁相放大模块解析出2f信号；[0078]判断光强是否满足要求，若不满足要求，则报警，并判断光强是否满足要求；若满足要求，则采集2f信号，并采用快速反演步骤可得到气体浓度。[0080]预采集待测气体区域不同浓度的2f信号和直接吸收信号，进行如下处理：[0081]在已知为吸收峰的位置处提取2f波峰的最大值，并在吸收峰两翼的位置处提取2f波谷的左翼最小值和右翼最小值，将最大值减去左翼最小值和右翼最小值的平均值得到2f[0082]由于直接吸收信号的点数与2f信号的点数已知相等，选取无吸收峰位置处的某段[0083]利用直接吸收信号的均值dcmean对2f吸收峰的峰值2fpeak进行归一化处理，得到[0084]建立浓度与2fmean的非线性关系式；[0085]将待测浓度的气体冲入待测气体区域中，计算得到所述归一化的2f值，并将该值代入已建立的非线性关系式，即求得待测气体浓度的真值。[0086]下面通过具体的实施例结合附图对本发明的技术方案进行进一步的阐述。[0087]实施例1[0088]例1为监测空气中CO(一氧化碳)的浓度变化情况，下面对具体实施进行分析。[0089]首先选取中心波长为2326.8nm的DFB激光器，设置激光器的工作温度为29℃,激光器的输出波长为2326.56nm～2327.21nm,完整覆盖CO在2326.823nm位置处的吸收峰。[0090]调整光路使得探测器的吸收光强电压范围在2V～5V之间，以保证测量结果的准确9[0091]在测量之前需对CO的测量浓度进行非线性标定，将测量浓度最大值设置为1000ppm,以1000ppm为起始浓度，每间隔1000ppm选取一个点，共9个点进行标定，得到吸收峰与浓度之间的关系如图3所示；[0093]再次测量浓度为2000ppm、5000ppm和10000ppm的CO进