[发明专利]一种基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法无效

专利信息
申请号: 201310261655.X 申请日: 2013-06-26
公开(公告)号: CN103543124A 公开(公告)日: 2014-01-29
发明(设计)人: 刘铁根;刘琨;孟云霞;江俊峰;汪冉冉;俞琳;王立恒 申请(专利权)人: 天津大学
主分类号: G01N21/39 分类号: G01N21/39
代理公司: 天津市北洋有限责任专利代理事务所 12201 代理人: 李丽萍
地址: 300072*** 国省代码: 天津;12
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 软件 可调 激光 吸收光谱 气体 检测 方法
【说明书】:

技术领域

发明属于传感及检测技术领域,具体涉及一种基于软件锁相的可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体浓度系统装置和解调方法。

背景技术

近年来,许多大型煤矿、隧道等比较密闭的场所,经常发生爆炸和有毒气体中毒事故。在石油工业,煤炭矿井,冶金和隧道等场所,生产过程中产生的易燃易爆等有毒有害气体积聚,由于空间有限,空气不流通极易导致工人中毒,甚至发生爆炸事故。在当今工业快速发展时代背景下,对有毒有害气体的浓度检测显得越来越重要,实时准确的有毒有害气体的浓度检测,不仅能够保证工人的生命健康安全,而且能预防爆炸事故的发生,大大减少企业的经济损失。

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)是利用半导体激光器的可调谐特性来进行光谱检测的一种吸收光谱技术。其主要原理是朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律,结合波长调制及谐波探测技术,已发展成为一种高灵敏度、高分辨率、高选择性、快速响应的气体检测技术。TDLAS技术进行气体检测系统是将一个高频正弦波和低频锯齿波的叠加信号加载到激光器的驱动上,使得激光器的波长能覆盖整个气体吸收线,将调制的激光通过气体池,跟气体充分作用后,经光电探测器探测,转化成电信号经过前值滤波和锁相放大,得到与气体浓度成正比的二次谐波信号的强度,由此推算出待测气体的浓度值。TDLAS技术进行气体浓度的检测,主要是利用了分布反馈式半导体激光器(DFB LD)的可调谐特性,可以通过改变温度和电流来改变激光器的中心波长,这样可以使得激光器再外加调制信号时,实现波长的调制。TDLAS方法实现气体浓度检测主要是根据气体吸收线的二次谐波信号的强度来推算的,因此二次谐波信号的提取是整个系统的关键所在。之所以选择二次谐波信号强度作为气体浓度的衡量,是因为直接吸收法的灵敏度较低,二次谐波信号可以有效去除系统中偶然噪声,大大提高系统的灵敏度。

通常,基于二次谐波信号提取气体传感技术是通过任意波形发生器和锁相放大器共同构建气体传感系统来完成的,虽然它能够提取微弱信号,灵敏度高,稳定性好,但是,由于其体积庞大,笨重只能在实验室使用,在现场环境下不适用,不符合现代仪器便携式的要求。因此,发明一种可替代任意波形发生器和锁相放大器的一种仪器和算法是非常重要也是必要的。

发明内容

针对上述现有技术,本发明提供一种基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法。与硬件锁相不同的是,软件锁相只用一个采集卡配以相应的算法就可以实现锁相放大器的功能,并且采集卡的模拟输出端口输出可以作为信号发生器输出,即可以节省成本,又可以实现系统的小型化和仪器化,具有很好的现场测试前景。由于本发明采用S-G滤波算法,因此,本发明基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法进一步提高了系统检测的灵敏度,不仅可以滤除噪声使信号平滑,而且不会产生相移,精度高,运算算速度快。

为了解决上述技术问题,本发明基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法予以实现的技术方案是:该方法包括以下步骤:

步骤一、驱动信号的产生,采用LABVIEW程序开发环境,在电脑中产生驱动信号,由内置的数据采集卡的DAQ驱动模块驱动采集卡的模拟输出端口产生电压信号,所述电压信号由BNC线加载到DFB激光器的驱动器上,用以驱动该DFB激光器发射经过调制的激光;

步骤二、气体吸收及探测,经过调制的激光通过气体吸收池后携带有气体的浓度信息;经光电探测器将携带有气体浓度的信号的光信号转化成电信号,再由采集卡的模拟输入端口采集到电脑中;

步骤三、软件锁相及解调,输入到电脑中的数据,经过软件锁相放大滤波算法,解调出此时气体吸收池的气体浓度信息。

进一步讲,本发明基于软件锁相的可调激光吸收光谱气体检测方法,其中:

步骤一中包括:驱动信号的产生,以及驱动信号对激光器的调制,采集卡在此步骤中具有信号发生的器的功能;根据朗伯比尔定律:

I(υ)=I0(υ)exp(-α(υ)cL)      (1)

I0是未经气体吸收时的光强,α(υ)是气体吸收系数,c为吸收气体浓度,L为气体的吸收光程长;

当激光中心频率υc受到频率为ω的调制波调制时,其瞬时频率为:

υ=υc+δυcosωt      (2)

其中:δυ为调制幅度,ω为调制频率;

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