[发明专利]一种基于TDLAS的气体浓度检测方法

说明书

一种基于TDLAS的气体浓度检测方法，属于气体检测技术领域。本发明建立调制深度D_m与待测气体浓度浓度的波形图，并根据波形图提取峰值幅度A、平均值m及其高次幂m^k、熵值h和标准差s这四项特征值构建得到具有k值参数的生成函数，基于二分法循环寻找最佳k值，从而得到具有最好线性度的最优生成函数，并进一步衡量最优生成函数的灵敏度，将灵敏度最高的生成函数随气体浓度变化曲线作为实际测量的标定曲线。本发明通过多次计算，保证了测量结果逼近真实浓度，可实现在0～100％的浓度动态范围内均具有良好的线性关系和灵敏度；本发明反演得到的标定曲线不仅对于不同气体以及不同的吸收峰均适用，而且针对不同气体以及吸收峰均具有最优的线性度和灵敏度。

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种基于TDLAS的气体浓度检测方法。

背景技术

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术是一种利用激光器波长调制通过被测气体的特征吸收区，在二极管激光器与长光程吸收池技术相结合的基础上发展起来的新的气体检测方法。TDLAS技术具有非侵入式原位快速在线测量和遥测等特有优势，以及其高响应率、高精度、高灵敏度、多选择性及快速响应的特性，故而在气体检测方面呈现出很好的价值和应用前景。基于TDLAS技术的气体传感器中，半导体激光器的输出波长很窄(一般小于几MHz)，其远远小于气体吸收线宽(常温常压下为几百MHz)，且具有可调谐特性，通过改变激光器的工作温度和注入电流可改变其输出波长。通常在测量时，选定待测气体的某一条吸收线，激光器发射的激光被调制信号调制，使得激光器输出波长固定在待测气体的选定吸收线附近扫描发射，当激光光束通过待测气体后，探测器会在时域上产生输出信号波形。通常，可调谐激光吸收光谱气体传感器会直接分析光强吸收信号，一般是用峰值幅度、曲线下的面积和均方根其中之一作为统计特征，并根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律计算气体浓度，或者通过给激光器注入高频的正弦调制信号并使用锁相放大器即相敏检测技术抑制噪声，把检测频率移到噪声较低的较高频率处以提取输出信号的高次谐波信号，从而得到气体浓度。然而，上述气体检测方法只能在一定动态范围内具有较高的灵敏度，无法满足更宽的动态范围，因为气体的饱和效应的存在，当我们需要更宽的动态范围时，这些统计特征和浓度将不再具有良好的线性关系，从而致使灵敏度迅速下降。

发明内容

鉴于上文所述，本发明针对现有基于TDLAS技术测量气体浓度所存在动态范围窄的问题，提供一种适用于全浓度范围同时具有高灵敏度的气体浓度检测方法。本方法通过对0％～100％动态范围内的各种气体设定最优的浓度标定曲线，使得气体浓度分析测量更加精确、灵敏，适用性广。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于TDLAS的气体浓度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：在待测气体浓度的目标动态范围内选择浓度数据c₁，c₂，c₃，c₄……c_p，p为不小于10的正整数，所述待测气体浓度的目标动态范围为0％﹤c≦100％；然后分别向吸收气室中通入已知浓度为c₁，c₂，c₃，c₄……c_p的待测气体，通过参考气室后端探测器以及吸收气室后端探测器在一个激光扫描周期内采集得到的响应值，计算得到各待测气体浓度下的调制深度D_m；

步骤B：将一个激光扫描周期内采集的点数n作为横坐标，各个质量百分比浓度下的调制深度D_m作为纵坐标，绘制得到不同浓度下的波形图；分别根据不同浓度下波形图计算如下4项特征值，包括峰值幅度A，平均值m及其高次幂m^k，熵值h和标准差s，所述4项特征值的公式如下：

A＝max(D_m(i))