本發(fā)明屬于氣體檢測(cè)，具體涉及一種激光氣體傳感器抑制背景光強(qiáng)波動(dòng)影響的方法。

背景技術(shù)：

1、氣體傳感器具有非常廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，不管是在火災(zāi)警示領(lǐng)域，大氣環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域，生命健康領(lǐng)域，食品安全上，安全監(jiān)控領(lǐng)域，氣體濃度檢測(cè)都有重要的應(yīng)用。例如，煤礦作業(yè)過程中，當(dāng)空氣中甲烷含量在5～15％范圍內(nèi)，遇明火會(huì)引發(fā)爆炸事故，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井瓦斯?jié)舛仁前踩鳂I(yè)的保障。目前，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(tdlas)氣體傳感器靈敏度高、選擇性好、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)，可遠(yuǎn)距離操作安全方便，在非接觸式原位氣體傳感領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。

2、tdlas技術(shù)主要是利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器進(jìn)行測(cè)量，為了減小系統(tǒng)的噪聲，在氣體的吸光度較低，通常會(huì)結(jié)合波長(zhǎng)調(diào)制光譜(wms)技術(shù)使用，wms技術(shù)其使用斜坡信號(hào)和余弦信號(hào)同時(shí)調(diào)諧激光，之后提取輸出的諧波信號(hào)從而得到氣體的濃度信息。通常輸出的諧波信號(hào)會(huì)受到背景光強(qiáng)的影響，進(jìn)而影響檢測(cè)精度。一般而言，斜坡信號(hào)和偏置信號(hào)決定了激光的中心光強(qiáng)，但是對(duì)于不同的諧波而言，其背景的光強(qiáng)往往不同，為了排除光強(qiáng)變化對(duì)諧波信號(hào)的影響，一般采用免校準(zhǔn)方法對(duì)諧波信號(hào)進(jìn)行歸一化，排除光強(qiáng)的影響。

3、傳統(tǒng)的免校準(zhǔn)方法主要有以下幾種，首先是使用一次諧波的峰峰值/一次諧波中心值的方法，該方法僅使用一次諧波進(jìn)行檢測(cè)，但是它只能消除單一類型光強(qiáng)波動(dòng)的影響，依賴激光的中心光強(qiáng)和調(diào)制光強(qiáng)的比例一致；還有“nf/1f”法，該方法使用一次諧波信號(hào)歸一化其它階次諧波信號(hào)，這種方法可以獲得較高的信噪比，但是，一次諧波中存在剩余幅度調(diào)制(ram)信號(hào)，需要知道精確的激光器參數(shù)加以控制；還有一種方法：“nf/0f”法，該方法使用零次諧波近似替代中心光強(qiáng)i0，借此使用零次諧波歸一化其它階次諧波，但是，當(dāng)待測(cè)氣體濃度較高時(shí)，中心光強(qiáng)無法使用零次諧波近似替代，由此引入的誤差也變的很大，“nf/0f”法將因此失效。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種激光氣體傳感器抑制背景光強(qiáng)波動(dòng)影響的方法，其目的在于解決傳統(tǒng)的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜氣體傳感器在檢測(cè)氣體的過程中，背景光強(qiáng)的變化影響輸出準(zhǔn)確性，并且需要人工校準(zhǔn)的技術(shù)問題。

2、基于現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種激光氣體傳感器抑制背景光強(qiáng)波動(dòng)影響的方法，包括如下步驟：

3、(1)調(diào)諧激光器輸出的激光，將經(jīng)過調(diào)諧后的激光分別輸入?yún)⒖細(xì)馐遗c測(cè)量氣室，所述參考?xì)馐抑械臍怏w與所述測(cè)量氣室中氣體種類一致；

4、(2)分別采用光電探測(cè)器采集所述參考?xì)馐遗c測(cè)量氣室的輸出激光的光譜信號(hào)，并將所述光譜信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)；然后使用跨阻放大器分別將所述電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；

5、(3)對(duì)采集到的所述參考?xì)馐叶说碾妷盒盘?hào)進(jìn)行鎖相濾波，分別獲取n次諧波信號(hào)以及零次諧波信號(hào)，其中n≥1，且n為自然數(shù)；

6、(4)利用所述零次諧波信號(hào)中的未被所述參考?xì)馐抑械臍怏w吸收的部分，擬合出背景基線，得到消除背景光強(qiáng)的零次諧波信號(hào)，其中，獲取所述消除背景光強(qiáng)的零次諧波信號(hào)的最大值；

7、(5)對(duì)于所述參考?xì)馐耀@得的n次諧波信號(hào)，獲取所述n次諧波信號(hào)的峰峰值或者峰值，得到光強(qiáng)校準(zhǔn)值，其中，

8、

9、(6)對(duì)采集到的所述測(cè)量氣室的電壓信號(hào)進(jìn)行鎖相濾波，獲取k次諧波信號(hào)，其中k≥1，且k為自然數(shù)；得到所述k次諧波信號(hào)的峰峰值或者峰值，得到免校準(zhǔn)的輸出信號(hào)，其中，

10、

11、優(yōu)選地，步驟(3)中，所述鎖相濾波具體為采用所述參考?xì)馐业碾妷盒盘?hào)乘n倍頻調(diào)制信號(hào)cos(nwmt)后，再進(jìn)行低通濾波，以獲取n次諧波信號(hào)drefn(v)；將所述參考?xì)馐业碾妷盒盘?hào)直接低通濾波，獲得零次諧波信號(hào)dref0(v)；

12、所述dref0(v)滿足：dref0(v)＝pref(v)(1-ao-refa0)；

13、所述drefn(v)滿足：

14、當(dāng)n＝1時(shí)，

15、當(dāng)n>1時(shí)，

16、

17、其中，ao-ref＝α0creflref，α0為氣體的吸收系數(shù)，cref為參考?xì)馐业臍怏w濃度，lref為參考?xì)馐业拈L(zhǎng)度；pref(v)為參考?xì)馐叶瞬〝?shù)v處對(duì)應(yīng)的背景光功率，δpref(v)為參考?xì)馐叶瞬〝?shù)v處對(duì)應(yīng)的調(diào)制光功率；wm為調(diào)制頻率；為頻率調(diào)制和電流調(diào)制之間的相位差；v表示波數(shù)；an為氣體吸收譜線傅里葉變換的n階系數(shù)；a0為氣體吸收譜線傅里葉變換的0階系數(shù)；a1為氣體吸收譜線傅里葉變換的1階系數(shù)，a2為氣體吸收譜線傅里葉變換的2階系數(shù)；t為時(shí)間；i為虛數(shù)單位。

18、優(yōu)選地，步驟(4)中，消除背景光強(qiáng)的零次諧波信號(hào)記為dfit0，dfit0＝ao-refa0；通過數(shù)值計(jì)算的方法獲取所述消除背景光強(qiáng)的零次諧波信號(hào)的最大值(dfit0)max。

19、優(yōu)選地，步驟(5)中，所述n次諧波信號(hào)，當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)，計(jì)算其峰峰值(drefn)vpp；當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)，計(jì)算其峰值(drefn)max；光強(qiáng)校準(zhǔn)值記為p0；

20、(drefn)vpp＝pref(v)ao-ref(anmax-anmin)；

21、(drefn)max＝pref(v)ao-refanmax；

22、當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)，

23、當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)，

24、其中，a1max表示為1次諧波的最大值，a1min表示為1次諧波的最小值；

25、anmax表示為n次諧波的最大值，anmin表示為n次諧波的最小值；a0-max表示為零次諧波最大值；m為或者

26、優(yōu)選地，步驟(6)中，所述鎖相濾波具體為采用所述測(cè)量氣室的電壓信號(hào)乘k倍頻調(diào)制信號(hào)cos(kwmt)后，再進(jìn)行低通濾波，以獲取k次諧波信號(hào)dtk(v)；免校準(zhǔn)的輸出信號(hào)表示為dout；

27、當(dāng)k為奇數(shù)時(shí)，計(jì)算dtk(v)的峰峰值(dtk)vpp；當(dāng)k為偶數(shù)時(shí)，計(jì)算dtk(v)的峰值(dtk)max；

28、(dtk)vpp＝pt(v)ao-t(akmax-akmin)；

29、(dtk)max＝pt(v)ao-takmax；

30、當(dāng)k為奇數(shù)時(shí)，

31、當(dāng)k為偶數(shù)時(shí)，

32、其中，pt(v)為測(cè)量氣室波數(shù)v處對(duì)應(yīng)的背景光功率；ao-t＝α0ctlt，其中，ct為測(cè)量氣室氣體濃度，lt為測(cè)量氣室的吸收光程；akmax為k次諧波的最大值，akmin為k次諧波的最小值；h1具體滿足：

33、優(yōu)選地，步驟(4)中，所述背景基線采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合得到。

34、優(yōu)選地，步驟(3)與步驟(6)中，所述鎖相濾波均采用鎖相放大器進(jìn)行，通過改變所述鎖相放大器的鎖相參考頻率，以分別獲得所述n次的諧波信號(hào)以及所述k次的諧波信號(hào)；

35、優(yōu)選地，步驟(3)與步驟(6)中的鎖相濾波均選自數(shù)字鎖相濾波或者模擬鎖相濾波。

36、優(yōu)選地，步驟(1)中，所述調(diào)諧具體為采用斜坡信號(hào)和余弦信號(hào)同時(shí)調(diào)諧。

37、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

38、(1)本發(fā)明利用參考?xì)馐业牧愦沃C波信號(hào)以及n次諧波信號(hào)，可以獲得光強(qiáng)校準(zhǔn)值，該光強(qiáng)校準(zhǔn)值即為激光器的背景光強(qiáng)，可以根據(jù)該光強(qiáng)校準(zhǔn)值，檢測(cè)激光器的輸出情況，判斷激光器是否正常輸出；通過獲得的光強(qiáng)校準(zhǔn)值，可以對(duì)測(cè)量氣室獲得的k次諧波進(jìn)行處理，將測(cè)量氣室獲得的k次諧波除以光強(qiáng)校準(zhǔn)值后，免校準(zhǔn)的輸出信號(hào)中除了測(cè)量氣體的濃度外，其他均為常量，因此本發(fā)明所提出的技術(shù)可以完全消除了激光器輸出光強(qiáng)變化的影響。

39、(2)發(fā)明的方法有效去除了使用合波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)時(shí)，提取的諧波信號(hào)中的存在背景光強(qiáng)影響的問題,最終獲得免校準(zhǔn)的和濃度線性相關(guān)的輸出信號(hào)，降低背景光強(qiáng)的變化對(duì)輸出準(zhǔn)確性的影響。當(dāng)改變激光器的偏置電流以適應(yīng)使用環(huán)境的變化，比如更改激光器的工作溫度而需要調(diào)整偏置電流時(shí)，此發(fā)明不需要對(duì)濃度的反演曲線系數(shù)進(jìn)行重新的校正。