多组分气体的浓度检测方法、装置及系统制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种多组分气体的浓度检测方法、装置及系统；其中，该方法包括：采集背景气体的光谱信号及待测混合气体的光谱吸收信号；根据预设的各类气体的吸收峰位置和对应窗口的大小，计算混合气体在各个吸收峰位置处的窗口内的吸收截面；根据预先建立的各类气体的吸收截面与浓度的对应关系，计算混合气体中各类气体的浓度。本发明专利技术实现了单一光源下多组分气体的同步检测，消除了不同气体之间的交叉干扰，提高了检测灵敏度和精度。

Multi component gas concentration detection method, device and system

The invention provides a multi-component gas concentration detection method, device and system, wherein the method comprises: collecting the spectral signal of background gas and the spectral absorption signal of mixed gas to be measured; calculating the absorption peak positions of mixed gases according to the preset absorption peak positions of various gases and the size of corresponding windows. The absorption cross section in the window and the concentration of various gases in the mixture are calculated according to the corresponding relationship between absorption cross section and concentration. The invention realizes synchronous detection of multi-component gases under a single light source, eliminates cross interference between different gases, and improves detection sensitivity and precision.

【技术实现步骤摘要】
多组分气体的浓度检测方法、装置及系统
本专利技术涉及激光光谱分析
，尤其是涉及一种多组分气体的浓度检测方法、装置及系统。
技术介绍
近年来，基于光学方法的气体检测方式检测灵敏度高，无需制样，易于维护，易于实现区域及原位实时在线检测，因此在气体分析领域越来越受到重视。目前得到实际应用的主要光学检测方法有差分吸收激光雷达技术DIAL(DifferentialAbsorptionLidar)、差分吸收光谱技术DOAS(DifferentialOpticalAbsorptionSpectroscopy)、傅里叶变换红外光谱技术FTIR(FourierTransformInfraredSpectroscopy)、激光诱导荧光技术LIF(Laser-InducedFluorescence)、激光诱导击穿光谱LIBS(LaserInducedBreakdownSpectroscopy)和可调谐激光吸收光谱技术TDLAS(TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy)。常用的多组分气体检测方法主要有时分复用、波分复用和频分复用方法。时分复用方法通过多个激光器的循环顺序切换实现多组分气体的检测；波分复用方法通过多个激光器分别发出检测气体对应的吸收波长，利用光纤分束器实现多组分气体的检测；频分复用方法基于二次谐波光谱分析方法，利用不同倍频的谐波信号实现多组分气体的检测。以上方法均是针对多个激光器而言，实现多少组分气体的检测就需要多少支激光器、相应数量的电流驱动模块和温控模块，增加了系统成本和系统响应时间。现有的单一光源对多种气体同时检测的技术较少，且一般对半导体激光器采用温度调制光谱；采用温度调制会增加气体检测的响应时间，降低检测灵敏度。此外，在中红外或近红外吸收波段，很多气体之间都存在一定的吸收干扰，包括待测目标气体之间的交叉干扰和待测目标气体与外界环境中其他气体的交叉干扰(如水汽等)。由于各种交叉干扰的存在，使得现有的多组分气体检测灵敏度和精度受到了极大的限制，成为了多组分气体检测中的技术瓶颈。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供多组分气体的浓度检测方法、装置及系统，以降低多组分气体浓度检测中气体之间的交叉干扰，提高检测灵敏度和精度。第一方面，本专利技术实施例提供了一种多组分气体的浓度检测方法，该方法包括采集背景气体的光谱信号及待测混合气体的光谱吸收信号；根据预设的各类气体的吸收峰位置和对应窗口的大小，计算混合气体在各个吸收峰位置处的窗口内的吸收截面；根据预先建立的各类气体的吸收截面与浓度的对应关系，计算混合气体中各类气体的浓度。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，采集背景气体的光谱信号及待测混合气体的光谱吸收信号的步骤，包括：通过光电探测器和数据采集卡采集背景气体的光谱信号；其中，背景气体包括氮气；通过光电探测器和数据采集卡采集待测混合气体的光谱吸收信号。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，各类气体的吸收峰位置和对应窗口的大小，通过下述方式确定：通过HITRAN数据库和实验室通气实验，确定调制波长范围，确定待测混合气体中的气体种类；采集每种气体的吸收光谱，计算各类气体的吸收峰位置；在各类气体的吸收峰位置处，确定气体吸收截面的宽度，将宽度作为所述窗口的大小。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，计算混合气体在各个所述吸收峰位置处的窗口内的吸收截面的步骤，包括：对每种气体Gi(i＝1,2,…,n)，进行下述操作：计算当前气体在浓度cj下的吸收率αj：其中，i代表气体的种类；j代表浓度的种类；I0为背景气体的光谱信号，Ij为气体Gi的光谱吸收信号；计算当前气体在浓度cj下，各窗口内的吸收截面aij：其中，Pi为各气体Gi的吸收峰位置；N为对应窗口的大小；Ai1＝{ai1,ai2,...,aim}为当前气体在各浓度cj下，吸收截面的组合。结合第一方面的第三种可能的实施方式，本专利技术实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，各类气体的吸收截面与浓度的对应关系，通过下述方式获得：建立吸收峰位置Pi处吸收截面与浓度的对应关系Ai1＝fi1(C)；其中，C为当前气体的浓度。结合第一方面的第四种可能的实施方式，本专利技术实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，计算混合气体中各类气体的浓度的步骤，包括：计算待测混合气体的光谱吸收率其中，IH为待测混合气体的光谱吸收信号；计算待测混合气体的在各吸收峰位置的窗口内的吸收截面通过下述公式，计算待测混合气体中，各类气体的浓度：其中，Aik＝fik(Ck)(i＝1,2,3…n,k＝1,2,3…l)为第k种气体在吸收峰位置Pi处的吸收截面；C1,C2,…Cl分别为各类气体的浓度。第二方面，本专利技术实施例提供了一种多组分气体的浓度检测装置，包括：信号采集模块，用于采集背景气体的光谱信号及待测混合气体的光谱吸收信号；吸收截面计算模块，用于根据预设的各类气体的吸收峰位置和对应窗口的大小，计算混合气体在各个所述吸收峰位置处的窗口内的吸收截面；浓度计算模块，用于根据预先建立的各类气体的吸收截面与浓度的对应关系，计算混合气体中各类气体的浓度。结合第二方面，本专利技术实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，信号采集模块还用于：通过光电探测器和数据采集卡采集背景气体的光谱信号；其中，背景气体包括氮气；通过光电探测器和数据采集卡采集待测混合气体的光谱吸收信号。第三方面，本专利技术实施例提供了一种多组分气体的浓度检测系统，包括微处理器、光电探测器、传感探头、参考气室和激光发生器；上述装置设置于微处理器中。结合第三方面，本专利技术实施例提供了第三方面的第一种可能的实施方式，其中，激光发生器包括半导体激光器控制器、半导体激光器和耦合器本专利技术实施例提供了一种多组分气体的浓度检测方法、装置及系统。采集背景气体的光谱信号及待测混合气体的光谱吸收信号；接下来根据预设的各类气体的吸收峰位置和对应窗口的大小，计算混合气体在各个吸收峰位置处的窗口内的吸收截面；根据预先建立的各类气体的吸收截面与浓度的对应关系，计算混合气体中各类气体的浓度。该方式实现了单一光源下多组分气体的同步检测，消除了不同气体之间的交叉干扰，提高了检测灵敏度和精度。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本专利技术的上述技术即可得知。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合所附附图，作详细说明如下。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种多组分气体的浓度检测方法的流程图；图2为本专利技术实施例提供的另一种多组分气体的浓度检测方法中，标定过程的流程图；图3为本专利技术实施例提供的另一种多组分气体的浓度检测方法中，检测过程的流程图；图4为本专利技术实施例提供的同一波段本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多组分气体的浓度检测方法，其特征在于，包括：采集背景气体的光谱信号及待测混合气体的光谱吸收信号；根据预设的各类气体的吸收峰位置和对应窗口的大小，计算所述混合气体在各个所述吸收峰位置处的窗口内的吸收截面；根据预先建立的各类气体的吸收截面与浓度的对应关系，计算所述混合气体中各类气体的浓度。

【技术特征摘要】
1.一种多组分气体的浓度检测方法，其特征在于，包括：采集背景气体的光谱信号及待测混合气体的光谱吸收信号；根据预设的各类气体的吸收峰位置和对应窗口的大小，计算所述混合气体在各个所述吸收峰位置处的窗口内的吸收截面；根据预先建立的各类气体的吸收截面与浓度的对应关系，计算所述混合气体中各类气体的浓度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采集背景气体的光谱信号及待测混合气体的光谱吸收信号的步骤，包括：通过光电探测器和数据采集卡采集背景气体的光谱信号；其中，所述背景气体包括氮气；通过光电探测器和数据采集卡采集待测混合气体的光谱吸收信号。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各类气体的吸收峰位置和对应窗口的大小，通过下述方式确定：通过HITRAN数据库和实验室通气实验，确定调制波长范围，确定所述待测混合气体中的气体种类；采集每种气体的吸收光谱，计算各类气体的吸收峰位置；在各类气体的吸收峰位置处，确定气体吸收截面的宽度，将所述宽度作为所述窗口的大小。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述混合气体在各个所述吸收峰位置处的窗口内的吸收截面的步骤，包括：对每种气体Gi(i＝1,2,…,n)，进行下述操作：计算当前气体在浓度cj下的吸收率αj：其中，i代表气体的种类；j代表浓度的种类；I0为所述背景气体的光谱信号，Ij为气体Gi的光谱吸收信号；计算所述当前气体在浓度cj下，各窗口内的吸收截面aij：其中，Pi为各气体Gi的吸收峰位置；N为对应窗口的大小；Ai1＝{ai1,ai2,...,aim}为所述当前气体在各浓度cj下，吸收截面的组合。5.根据权利要求4所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：张婷婷，宁雅农，胡杰，李艳芳，魏玉宾，王寅，王兆伟，刘统玉，
申请(专利权)人：山东省科学院激光研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37