一种基于红外激光光谱的真空度检测方法与系统

摘要

本发明公开了一种基于红外激光光谱的真空度检测方法与系统，利用密封容器顶空释放的吸附水汽红外高分辨吸收谱线展宽特征，通过双光路检测，利用同步干涉条纹信号实现检测光谱时域向频域的转换获得谱线展宽的绝对值，实现气体压强绝对测量；采用背景拟合算法获得光强信息，通过归一化处理消除容器透过率变化对检测的影响；采用复合线型模型对水汽吸收谱线进行快速拟合，实现谱线展宽的多普勒展宽和压力展宽的分离；通过水汽分压的同步测量，提高真空气压测量的精度。本发明方法可以用于食品、医药工业真空密封容器真空度检测，以及实现快速检漏。

主权项

一种基于红外激光光谱的真空度检测方法，其特征是按如下步骤进行：步骤a、采用近红外半导体激光器作为检测光源，通过叠加在激光器驱动电流上的锯齿波信号实现输出波长在设定波长范围内周期性连续扫描，所述激光器的发射光束经光纤分束器后分为检测光和参考光，所述检测光通过待测真空密封容器构成检测光路，实现对待测真空密封容器内水汽在近红外光谱区一条孤立的水汽目标吸收谱线的检测，得到水汽检测光谱信号D₀(n)；所述参考光输入至光纤干涉仪作为获取同步干涉信号R₀(n)的参考光路，所述真空密封容器对近红外光具有透光性；所述水汽在近红外光谱区一条孤立的目标吸收谱线是指不受水汽其它谱线以及真空密封容器内其它气体谱线干扰的水汽吸收谱线；步骤b、检测光谱信号时域向频域转换与波长标定检测光谱信号D₀(n)为时域信号，参考光路同步干涉信号R₀(n)为等频率间距条纹信号，δv₀为等频率间距条纹信号的条纹频率间距，确定等频率间距条纹信号的第i个条纹峰值的时域采样点位置为n_0i，以第一个干涉条纹峰值位置作为参考频率点n₀₁，则各条纹峰值相对参考频率点n₀₁的频率偏移量为(i‑1)δv₀，得到一组条纹峰值时域采样点位置与对应频率偏移量的数据点为(n_0i，(i‑1)δv₀)，通过拟合得到关于信号时域采样点n频域的频率偏移量函数Δv(n)如式(1)，其中a、b、c和d均为拟合参数；Δv(n)＝a+bn+cn²+dn³   (1)以v₀表示水汽目标吸收谱线的中心频率，确定中心频率v₀在检测光谱信号时域采样点为n₀，则中心频率v₀时域采样点n₀位置相对参考频率点的频率偏移量Δv(n₀)为：$\Delta v\left(n_0\right)=a+{\mathrm{bn}}_0+{\mathrm{cn}}_0^2+{\mathrm{dn}}_0^3;$令v(n)为时域采样点n对应的频域值，则检测光谱信号的时域与频域转换关系如式(2)：v(n)＝v₀‑(Δv(n₀)‑Δv(n))   (2)利用式(2)对时域检测光谱信号D₀(n)进行波长标定，得到频域检测光谱信号D₀(v)，D₀(v)中v＝v(n)；步骤c、背景光强拟合以函数B(v)表示透射光强函数，通过对频域检测光谱信号D₀(v)中没有水汽吸收的背景光谱区数据进行拟合得到拟合函数如式(3)，其中b₀、b₁、b₂和b₃是拟合参数；B(v)＝b₀+b₁v+b₂v²+b₃v³   (3)则有，归一化检测光谱信号D(v)为：以ΔD(v)表示水汽吸收系数光谱信号，则有：ΔD(v)＝1‑D(v)；所述水汽吸收系数光谱信号ΔD(v)中每一频率数据点的数值即为水汽在该频率处的吸收系数；步骤d：谱线拟合与光谱参数获取对所述水汽吸收系数光谱信号ΔD(v)按式(4)所示的拟合函数Φ_V(v)进行谱线线型拟合；$\begin{array}{c}{\Phi }_V\left(v\right)=\frac{P_{H2O}SL}{2v_V\left(1.065+0.447x+0.058x^2\right)}\{\left(1-x\right)\exp \left(-0.693y^2\right)+x/\left(1+y^2\right)\\ +0.016\left(1-x\right)x\left[\exp \left(-0.0814y^{2.25}\right)-1/\left(1+0.021y^{2.25}\right)\right]\}\end{array}---\left(4\right)$式(4)中，p_H2O为容器内水汽分压，S为水汽目标吸收谱线吸收线强，L为水汽吸收光程，L取为待测真空密封容器的内径；x＝v_L/v_V，y＝2|v－v₀|/v_V，v_D是水汽目标吸收谱线多普勒展宽、v_L是水汽目标吸收谱线压力展宽，v_V是水汽目标吸收谱线复合线型的半高宽，并有：v_V＝2[0.5346(v_L/2)+(0.2166(v_L/2)²+(v_D/2)²)^1/2]   (5)对式(4)采用L‑M非线性拟合算法，分别得到水汽吸收光谱积分吸收系数p_H2OSL、多普勒展宽v_D和压力展宽v_L；则容器内水汽分压p_H2O为：将容器内气体除水汽以外的剩余气体视为空气，令容器内空气分压为p_air，则有：$p_{air}=\frac{v_L-p_{H2O}{\gamma }_{H2O}}{{\gamma }_{air}}$其中，γ_H2O为水汽目标吸收谱线压力自展宽系数，γ_air为水汽目标吸收谱线空气展宽系数，则所述容器内气压p为：$p=p_{H2O}+p_{air}=p_{H2O}+\frac{v_L-p_{H2O}{\gamma }_{H2O}}{{\gamma }_{air}};$以所述容器内气压p表征待测真空密封容器的真空状态。