[发明专利]一种高摩尔分数下基于TDLAS吸收法压强测量的修正方法

说明书

本发明为解决现有基于TDLAS直接吸收法测量流场压强时，均在待测气体摩尔分数较小且保持不变的情况下进行测量，忽略了待测气体摩尔分数动态变化对压强和线宽的影响，进而对待测气体的压强测量带来较大误差的技术问题，而提供了一种高摩尔分数下基于TDLAS吸收法压强测量的修正方法。本发明提出的修正方法同时考虑了压强和摩尔分数对线宽测量的影响，通过对压强测量结果的摩尔分数修正，实现对气体参数更准确的测量，且适用于宽工况条件下的压强和摩尔分数测量结果修正。

技术领域

本发明属于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术领域，具体涉及一种高摩尔分数下基于TDLAS吸收法压强测量的修正方法。

背景技术

TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)技术，即可调谐半导体激光吸收光谱技术。它是通过采用极窄带宽的激光扫描待测气体分子的特征吸收谱线，实现对待测组分温度、浓度以及压强等物理量的原位在线非接触测量。近年来随着近红外和中红外半导体激光器技术的成熟，制造成本的降低，分子吸收光谱数据库的逐渐完善，TDLAS技术凭借其测量精度高、灵敏度高、抗干扰能力强和测量装置结构紧凑等优势，已成为复杂物理场非接触诊断领域的一个重要发展方向，并在气体参数测量中获得了广泛应用。

在TDLAS直接吸收法的压强测量中，一般通过吸收光谱的线宽进行压强反演。吸收光谱线型一般可近似为Lorentz线型，其线宽Δv可近似表示为可见，吸收光谱线宽同时受到待测气体压强和摩尔分数的影响。在摩尔分数较小时，线宽主要受压强的影响；在摩尔分数较大时，就需要考虑摩尔分数对线宽的影响。

实际应用中一般通过实验室标定来确定线宽与压强之间的关系。但是，在标定中往往都设定一个固定的摩尔分数，并未考虑摩尔分数的动态变化对压强带来的影响。陈祥等人(陈祥，阚瑞峰，杨晨光，等.基于TDLAS技术的空气气压精确测量.光电子激光，2015，26(4)：719-723.)和段金虎等人(段金虎，金星，王广宇，等.基于直接系数光谱测量气体的压强.物理实验，2016，36(4)：7-11.)均提出了利用TDLAS直接吸收法通过测量水分子吸收光谱反演气体压强的方法。刘志伟等人(刘志伟，李梓文，李亚飞，等.用于中红外甲烷检测的压强测量与补偿.光子学报，2018，47(2)：0230002.)也提出了利用TDLAS直接吸收法通过测量甲烷分子吸收光谱反演气体压强的方法。上述文献中所测气体分子的摩尔分数均较小(不高于5％)，且实验过程中摩尔分数保持不变，因此无需考虑摩尔分数对线宽的影响。

但是，如前所述在高摩尔分数下的压强反演中必须考虑摩尔分数对压强的修正。另外，在高压条件下，压强升高不仅会导致线宽展宽，还会带来吸收基线的抬升，从而影响面积测量的准确性，因此在压强的标定中还需要考虑压强对吸收面积的修正关系。

发明内容

本发明为了解决现有基于TDLAS直接吸收法测量流场压强时，均在待测气体摩尔分数较小且保持不变的情况下进行测量，忽略了待测气体摩尔分数动态变化对压强和线宽的影响，进而对待测气体的压强测量带来较大误差的技术问题，而提供了一种高摩尔分数下基于TDLAS吸收法压强测量的修正方法，用于对TDLAS压强测量结果的定量修正，利用该方法能够实现对气体参数更准确的测量。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高摩尔分数下基于TDLAS吸收法压强测量的修正方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1)、标定获得已知摩尔分数X₀条件下，待测气体吸收光谱线宽Δν与压强P之间的标定关系Δν＝F(P)、吸收面积A与压强P之间的标定关系A＝G(P)以及常压下待测气体吸收面积A与摩尔分数X之间的关系A＝H(X)；

步骤2)、对待测气体进行吸收光谱测量，获得吸收光谱数据，并通过光谱拟合获得吸收光谱的线宽Δν和吸收面积A随时间的演化数据；