[发明专利]一种基于红外光调制技术的颗粒物与气体浓度同步测量装置及其测量方法

权利要求书

1.一种基于红外光调制技术的颗粒物与气体浓度同步测量装置的测量方法，其特征在于，所述测量装置依次包括信号发生模块、颗粒物与气体测量模块、信号接收模块以及信号处理模块；其中，信号发生模块包括函数发生器、激光控制器、分布式反馈激光器、光纤分束器和光功率放大器；颗粒物与气体测量模块包括光学标准具、伴热管带、测量池及包裹在测量池外的加热模块；信号接收模块由三个光电探测器组成；待测的颗粒物与气体通过伴热管带预热后进入测量池，加热模块使测量池维持在设定温度；函数发生器将扫描叠加调制信号输入激光控制器中，激光控制器对分布式反馈激光器的输出波长、光强进行调谐，分布式反馈激光器输出的激光经光纤分束器分成三束，一束经光功率放大器，由激光发射端进入测量池，经待测气体吸收与颗粒物散射后被光电探测器接收并转换为电信号，得到散射光强信号；一束经光学标准具后被光电探测器接收，得到标准具信号；另一束光信号直接被光电探测器接收得到背景信号，三路信号均由对应的光电探测器传输至信号处理模块进行处理；

上述测量装置的测量方法，具体包括如下步骤：

步骤1，函数发生器将扫描频率为f_s信号叠加调制频率f_m信号输入激光控制器中，激光控制器对DFB激光器的输出波长和光强进行调谐；

步骤2，将步骤1的调制光经光纤分束器分为三束，一束经光功率放大器，由激光发射端进入通有气体与颗粒物的测量池，由光电探测器采集散射光强信号一束经过光学标准具，由光电探测器采集标准具信号另一束直接由光电探测器采集背景光强信号

步骤3，由标准具信号得到时间频率响应特性υ(t)，对背景光强信号及散射光强信号进行参数设置相同的数字锁相、低通滤波处理，得到各自对应的一、二次谐波信号：

步骤4，依据Beer-Lambert定律及Lorenz-Mie理论对散射光强信号的一、二次谐波进行进一步处理，根据归一化二次谐波峰高度及步骤3所得时间频率响应特性计算气体浓度值；

步骤5，由步骤3所得的时间频率响应特性υ(t)及步骤4所得气体浓度值计算气体吸光度τ(υ)：

τ(υ)＝exp{-PS(T)Φ[υ(t)]X_gasL} (5)

式(5)中，P为气体总压力，S(T)为跃迁谱线的线强，Φ[υ(t)]为线型函数，X_gas为气体浓度，L为光程长；

将步骤2中所测散射光强信号扣除气体吸光度τ(υ)得到无气体吸收下的散射光信号

式(6)中，K为散射系数项，V为待测烟气的体积；r为观察点与散射颗粒的距离；ρ为被测烟气中颗粒物的密度；X_particle为颗粒物的质量浓度，I₀(t)为入射光线光强；

将采用步骤3中的相同参数进行数字锁相、低通滤波处理，得到其一次谐波信号可以表示为：

式(7)中，G为探测器增益系数，i₁为光强的第一阶调制幅度；K为散射系数项，V为待测烟气的体积；r为观察点与散射颗粒的距离；ρ为被测烟气中颗粒物的密度；X_particle为颗粒物的质量浓度，I₁为未加调制时的激光器光强；

步骤6，取步骤5中所得的一次谐波信号的均值作为颗粒物浓度测量的特征值，其与颗粒物浓度呈线性关系，通过标定曲线，即可得到颗粒物浓度值。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：步骤3中，具体计算公式为：

式(1)中，为背景光强信号对应的一、二次谐波x分量和y分量，分别为散射光信号对应的一、二次谐波x分量和y分量，F为低通滤波器，f_m为调制频率，t为时间；

式(2)中，为背景光强信号的一、二次谐波信号，为散射光信号的一、二次谐波信号。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：步骤4中，依据Beer-Lambert定律及Lorenz-Mie理论，散射光强信号与颗粒物及气体浓度之间的关系可以表示为：

式(3)中，V为待测烟气体积，θ为散射角，r为观察点与散射颗粒的距离，ρ为被测烟气中颗粒密度，X_particle为颗粒物质量浓度，i₁(θ，υ，D，n)和i₂(θ，υ，D，n)为散射强度函数，f_r(D)为粒径分布函数，D_min、D_max分别为颗粒粒径的下限和上限，n为颗粒物折射率，P为气体总压力，T为气体温度，X_gas是气体浓度，L为光程长，Φ(υ)为线型函数，S(T)为跃迁谱线的线强，为无气体吸收及颗粒物散射影响的原始光强信号，D为颗粒物粒径，υ为波数，K为散射系数项；Φ[υ(t)]为线型函数；

扣除背景光强信号的归一化二次谐波信号可以表示为：

式(4)中，为背景光强信号的一次谐波信号，为散射光信号的一次谐波信号，为背景光强信号对应的二次谐波x分量和y分量，分别为散射光信号对应的二次谐波x分量和y分量；

归一化二次谐波信号扣除了颗粒物浓度的波动对于光强信号的影响，在谱线中心处其峰值高度与气体浓度X_gas相关，对于实验测量信号，在温度已知的条件下，根据HITRAN2016光谱数据库仿真不同气体浓度下的归一化二次谐波峰值高度经插值计算后得到所测气体浓度X_gas。