一种基于波长调制光谱技术的气体参数在线测量方法

摘要

一种基于波长调制光谱技术的气体参数在线测量方法，属于可调谐激光二极管吸收光谱技术领域。该方法基于波长调制光谱技术利用锁相放大器输出的奇数次谐波X轴和Y轴信号拟合出气体吸收率函数，并利用一次谐波背景信号对各次谐波X轴和Y轴信号进行归一化处理，以消除背景信号、激光强度、调制系数等因素的影响，进而通过气体吸收率函数直接测量气体的温度、浓度、压力和光谱常数，解决了目前波长调制光谱技术需要标定实验测量温度和浓度以及不能测量气体压力和光谱常数的问题，拓宽了波长调制光谱技术的应用范围。

主权项

1.一种基于波长调制光谱技术的气体参数在线测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)根据待测气体种类，从美国高分辨率光谱数据库中选取相应的吸收光谱谱线，其中心频率为v₀；2)以可调谐半导体激光器(5)为光源，调节激光控制器(4)的温度及电流，使可调谐半导体激光器(5)的输出频率稳定在中心频率v₀处，并用波长计(6)进行标定和监测；3)将信号发生器(1)产生的低频锯齿波和锁相放大器(2)产生的高频正弦波经过加法器(3)叠加后输入到激光控制器(4)，驱动激光器产生的激光在吸收光谱谱线频率处发生扫描和调制，则激光瞬时频率v和激光强度I₀用公式(1)表示：$\left\{\begin{array}{c}v=\bar{v}+a\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ I_0={\bar{I}}_0+\Delta I\cos (\mathrm{\omega t}+\psi )\end{array}\right.---\left(1\right)$式中：a[cm^-1]为频率调制幅度，定义调制系数m=a/γ，γ[cm^-1]为谱线半高宽，ω为调制信号的角频率，为激光频率的平均值，为激光强度的平均值，ΔI为强度调制幅度，ψ为频率调制和强度调制之间的相位差；4)将激光器(5)发出的激光准直后直接由光电探测器(8)接收，然后分两路，一路输入数字示波器(9)中记录激光强度随时间的变化过程，另一路输入到锁相放大器(2)中进行一次谐波检测，锁相放大器(2)检测到的一次谐波背景信号S_1-back输入到计算机数据采集与处理系统(10)中；5)将激光器(5)发出的激光准直后经过气体介质(7)由光电探测器(8)接收，然后分两路，一路输入数字示波器(9)中记录激光强度随时间的变化过程，另一路输入到锁相放大器(2)中检测奇数次谐波信号，锁相放大器(2)检测到的奇数次谐波X轴信号X_2k-1和Y轴信号Y_2k-1输入到计算机数据采集与处理系统(10)中；6)计算机数据采集与处理系统中采集到的奇数次谐波X轴信号X_2k-1和Y轴信号Y_2k-1代入下式，得到函数fun_2k-1：${\mathrm{fun}}_{2k-1}=\frac{X_{2k-1}·\sin \beta -Y_{2k-1}·\cos \beta }{S_{1-\mathrm{back}}},k=\mathrm{1,2}...---\left(2\right)$式中：β为锁相放大器参考信号与输入信号之间的相位差；7)将fun_2k-1代入下式，得到函数Fun_k：${\mathrm{Fun}}_k={\mathrm{fun}}_1-{\mathrm{fun}}_3+{\mathrm{fun}}_5+...{(-1)}^{k-1}{\mathrm{fun}}_{2k-1}=\underset{n=1}{\overset{k}{\Sigma }}{(-1)}^{n-1}{\mathrm{fun}}_{2n-1}---\left(3\right)$8)将Fun_k代入下式，即得到气体吸收率函数$\alpha \left(\bar{v}\right)=-\ln \left(\frac{{\mathrm{Fun}}_k}{\sin \psi }\right){|}_{k\to \infty }---\left(4\right)$9)根据下式，按照常规的直接吸收法即得到待测气体温度、浓度、压力和光谱常数：式中：P[atm]为气体总压，C为气体浓度，L[cm]为激光吸收光程，S(T)[cm^-2atm^-1]为谱线的线强度，为分子吸收线型函数，且