基于波长调制光谱技术的多组分物质检测方法及装置制造方法及图纸

本公开提供了一种基于波长调制光谱技术的多组分物质检测方法，包括：利用至少一种已知路径积分浓度的探针物质标定检测系统，得到V

【技术实现步骤摘要】
基于波长调制光谱技术的多组分物质检测方法及装置
本公开涉及检测
，特别涉及一种基于波长调制光谱技术的多组分物质检测方法及装置。
技术介绍
随着半导体激光技术的迅猛发展，可调谐半导体激光吸收光谱技术已经成为一种重要的高灵敏多组分物质检测方法，应用于环境监测、工业生产控制和生物医疗等领域。波长调制光谱技术(WavelengthModulationSpectroscopy，WMS)是可调谐激光器吸收光谱技术(TDLAS)的一个分支，具有灵敏度高、选择性强、时间分辨率高等诸多优势。采用波长调制光谱技术进行测量时，利用相敏检测原理对吸收信号的谐波分量进行提取，从而反演物质浓度。波长调制法多用于在近红外或中红外有独立、窄吸收峰的物质。但是传统波长调制光谱技术不适用于检测无明显吸收峰(即宽谱吸收)的物质，因此亟需一种能够用于无明显吸收峰(即宽谱吸收)的物质的多组分物质检测方法及装置。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题鉴于上述问题，本公开的主要目的在于提供一种基于波长调制光谱技术的多组分物质检测方法及系统，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种基于波长调制光谱技术的多组分物质检测方法，包括：利用至少一种已知路径积分浓度的探针物质标定检测系统，得到Vm与CwLw的第一关系表达式的一次项系数kwm，Vm为第m个探针物质吸收峰处二次谐波最大值或吸收峰的二次谐波最大值与该二次谐波最大值处的一次谐波值的比值2f/1f，1≤m≤n，n为吸收峰的个数，CwLw表示探针物质的路径积分浓度；将所述探针物质的吸收峰分组，对于吸收峰分组中任意两个吸收峰：第α吸收峰和第β个吸收峰，得到表达式使得每个吸收峰分组之间所述表达式相互线性无关，其中1≤α≤n，1≤β≤n；Vα为第α个探针物质吸收峰处二次谐波最大值或2f/1f值；Vβ为第β个探针物质吸收峰处二次谐波最大值或2f/1f值，kwα、kwβ为一次项系数；依次利用n-1个已知路径积分浓度的待测物质标定检测系统，并结合所述探针物质标定检测系统的结果得到与CepLep的第二关系表达式的一次项系数其中，CepLep表示第p种待测物质的积分浓度，1≤p≤n-1，为一次项系数；采用检测系统对待测物质进行测定，测量得到V1，V2，V3…Vn，采用所述吸收峰分组，并通过以下公式得到每种待测物质的路径积分浓度CepLep：根据本公开的实施例，所述利用至少一种已知路径积分浓度的探针物质标定检测系统包括：分别得到n个吸收峰处的Vm与CwLw的第一关系散点图，通过拟合分别得到Vm与CwLw的第一关系表达式Vm＝fm(CwLw)，并得到所述关系表达式的一次项系数为kwm。根据本公开的实施例，所述依次利用n-1个已知路径积分浓度的待测物质标定检测系统包括：对于第p种待测物质，采用一系列已知路径积分浓度的第p种物质标定系统，其中，对于每组含有探针物质的任意两个吸收峰：第α吸收峰和第β吸收峰，测得Vα和Vβ，进而得到与CepLep的第二关系散点图，并得到与CepLep的第二关系表达式获得所述第二关系表达式一次项系数根据本公开的实施例，所述的多组分物质检测方法还包括：由测得的Vα和Vβ得到以得到与CepLep的第二关系散点图，包括：分别对Vα与CwLw散点图、Vβ与CwLw散点图做插值，插值的结果分别近似为和或根据拟合得到的第一关系表达式求解得到，即分别是fα和fβ的反函数；或根据所述第一关系表达式的一次项系数kwα和kwβ计算得到。根据本公开的实施例，所述的多组分物质检测方法包括：当待测物质只有一种时，CeLe的计算采用：或对所述第二关系散点图做插值；或根据拟合得到的第二关系表达式求解得出，即g-1为g的反函数。根据本公开的实施例，若所述吸收峰分组的每组中有j个吸收峰，则能够检测的物质种类小于等于n-j+1种。根据本公开的实施例，所述的多组分物质检测方法还包括：用最小二乘法得到各待测物质的路径积分浓度。根据本公开的实施例，所述的多组分物质检测方法还包括：采用滤波技术对一次谐波和二次谐波进行处理。根据本公开的实施例，所述公式由以下公式得到：其中，下标w表示探针物质，下标e表示待测物质。Vm(1≤m≤n)表示第m个探针物质吸收峰处二次谐波最大值或2f/1f值，一次谐波归一化的作用是消除激光器的光强波动、探测到的光强不确定性、探测器增益对测量的影响；CwLw表示探针物质的路径积分浓度；CepLep(1≤p≤n-1)表示第p种待测物质的积分浓度；K为一次项系数，n为吸收峰的个数；其中，i1为激光器的光强线性调制幅度，αwm为探针物质的第m个吸收峰处的吸收系数，为该处第p种待测物质的吸收系数，ω是调制信号的角频率。根据本公开的另一个方面，还提供了一种基于波长调制光谱技术的多组分物质检测装置，采用如前所述的基于波长调制光谱技术的多组分物质检测方法。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开一种基于波长调制光谱技术的多组分物质检测方法及装置至少具有以下有益效果其中之一：(1)本公开基于波长调制光谱技术实现了多组分的探测。(2)本公开可以用于探测无明显吸收峰(即宽谱吸收)的物质，而传统波长调制光谱技术不适用于检测无明显吸收峰的物质。附图说明构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：图1为本公开基于波长调制光谱技术的多组分物质检测方法的流程图；图2为本公开仿真实验中待测物质的吸收曲线对比图(横坐标：波数，单位是cm^-1)。图3a为本公开仿真实验的标定结果示意图。图3b为本公开仿真实验的乙醇气体标定结果示意图。图3c为本公开仿真实验的丙酮气体标定结果示意图。具体实施方式为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。为便于理解，下面先介绍波长调制技术基本原理。光的频率调制和强度调制分别可以表示为：(对光的频率调制)(对光的强度调制)v(t)是随时间变化的频率，是中心频率，Δv是调制深度，I0(t)是激光强度，是中心频率强度，i1是光强线性调制幅度，ω是调制信号的角频率，ψ是频率调制和光强调制之间的相移。朗伯比尔定律：It(t)＝I0(t)exp[-CLα(v)]其中It(t)是出射光强，I0(t)是入射光强，α是吸收系数(单位cm^-1)，L是光在气体中的传播长度，C为气体的物质的量浓度(体积分数)。在弱吸收下，有一阶近似：It(t)＝I0(t)·[1-CLα(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于波长调制光谱技术的多组分物质检测方法，其特征在于，包括：/n利用至少一种已知路径积分浓度的探针物质标定检测系统，得到V

【技术特征摘要】
1.一种基于波长调制光谱技术的多组分物质检测方法，其特征在于，包括：
利用至少一种已知路径积分浓度的探针物质标定检测系统，得到Vm与CwLw的第一关系表达式的一次项系数kwm，Vm为第m个探针物质吸收峰处二次谐波最大值或吸收峰的二次谐波最大值与该二次谐波最大值处的一次谐波值的比值2f/1f，1≤m≤n，n为吸收峰的个数，CwLw表示探针物质的路径积分浓度；
将所述探针物质的吸收峰分组，对于吸收峰分组中任意两个吸收峰：第α吸收峰和第β个吸收峰，得到表达式使得每个吸收峰分组之间所述表达式相互线性无关，其中1≤α≤n，1≤β≤n；
依次利用n-1个已知路径积分浓度的待测物质标定检测系统，并结合所述探针物质标定检测系统的结果得到与CepLep的第二关系表达式的一次项系数其中，CepLep表示第p种待测物质的积分浓度，1≤p≤n-1；
采用检测系统对待测物质进行测定，测量得到V1，V2，V3…Vn，采用所述吸收峰分组，并通过以下公式得到每种待测物质的路径积分浓度CepLep：





2.根据权利要求1所述的多组分物质检测方法，其特征在于，所述利用至少一种已知路径积分浓度的探针物质标定检测系统包括：
分别得到n个吸收峰处的Vm与CwLw的第一关系散点图，通过拟合分别得到Vm与CwLw的第一关系表达式Vm＝fm(CwLw)，并得到所述关系表达式的一次项系数为kwm。


3.根据权利要求2所述的多组分物质检测方法，其特征在于，所述依次利用n-1个已知路径积分浓度的待测物质标定检测系统包括：
对于第p种待测物质，采用一系列已知路径积分浓度的第p种物质标定系统，其中，对于每组含有探针物质的任意两个吸收峰：第α吸收峰和第β吸收峰，测得Vα和Vβ，进而得到与CepLep的第二关系散点图，并得到与CepLep的第二关系表达式获得所述第二关系表达式一次项系数


4.根据权利要求3所述的多组分物质检测方法，其特征在于，还包括：由测得的Vα和Vβ得到以得到与Cep...

【专利技术属性】
技术研发人员：李绍民，孙利群，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11