【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及激光光譜氣體檢測，特別是一種多組分氣體激光同步檢測系統(tǒng)及方法。
技術介紹
1、在采用調(diào)諧激光吸收光譜（tdlas）技術進行氣體多組分檢測的場景中，目前的實施方式通常涉及使用多個激光器，每個激光器專門對應于特定的氣體成分。這種方法的選擇是基于不同氣體組分的吸收特性，其中每種組分在特定的波長上顯示出強烈的吸收線，因此，選取合適的激光波長對于提升檢測的精確度至關重要。在采用調(diào)諧激光吸收光譜（tdlas）技術進行多組分氣體檢測中，面臨的一大挑戰(zhàn)是如何有效探測具有顯著波長差異的所需激光的光信號。雖然系統(tǒng)可以選擇使用能覆蓋廣泛波長范圍的光電探測器，但這種探測器通常會引入較高的系統(tǒng)噪聲，這對于高精度檢測來說是不可接受的。因此，為確保檢測過程的高精度性能，系統(tǒng)必須裝備多個專用光電探測器，分別針對不同波長的激光信號進行精準響應。盡管這種做法增加了系統(tǒng)的復雜性和成本，但它能顯著提升檢測的準確性和可靠性，滿足高精度監(jiān)測的嚴格要求。
2、多組分氣體檢測方法主要分為同步檢測和異步檢測。其中異步檢測技術是指在不同時間點分別監(jiān)測不同的氣體組分。這種方法適用于對時間同步性要求不高的場合，或在設備成本和維護上有限制的情況下的應用。同步檢測往往伴隨設備成本的上升，因為需要多個光電探測器和信號處理通道，但其具有快速的時間響應和優(yōu)良的時間精度，因此，在對檢測時間精度要求較高的應用場景，如燃燒診斷、天然氣泄漏監(jiān)測和煤礦安全等需要實時在線監(jiān)測的領域，同步檢測方案更符合需求。
技術實現(xiàn)思路
1、針對上
2、為達到上述目的，本專利技術所采用的技術方案是。
3、一種多組分氣體激光同步檢測系統(tǒng)，包括信號處理模塊、用于輸出四路不同調(diào)制信號的激光器驅(qū)動模塊、用于輸出四路不同波長探測激光的激光器模塊、合束器、分束器、多組分密封氣池、用于檢測和響應四路波長光譜范圍的寬域光電探測器、多次反射池、偏振分光棱鏡一、偏振分光棱鏡二、光電探測器一、光電探測器二和光電探測器三；所述激光器驅(qū)動模塊包括同向放大電路一、ch4激光器驅(qū)動模塊、同向放大電路二、h2s激光器驅(qū)動模塊、反向放大電路一、o2激光器驅(qū)動模塊、反向放大電路二和co激光器驅(qū)動模塊。所述信號處理模塊輸出數(shù)字-模擬電壓信號經(jīng)同向放大器一、同向放大器二和反向放大器一、反向放大器二同步進行信號同向放大和信號反向放大后，分別輸入對應的ch4激光器驅(qū)動模塊、h2s激光器驅(qū)動模塊和o2激光器驅(qū)動模塊、co激光器驅(qū)動模塊，并同步輸出同向ch4和h2s模擬電壓信號和反向o2和co模擬電壓信號來驅(qū)動對應的ch4激光器、h2s激光器和o2激光器、co激光器，最終輸出四路不同波長探測激光，所述四路不同波長探測激光經(jīng)合束器耦合后輸出至分束器，經(jīng)分束器分束為測量信號和參考信號。
4、優(yōu)選的，所述參考信號依次經(jīng)多組分密封氣池、寬域光電探測器后輸出至信號處理模塊，由信號處理模塊解調(diào)獲取所述多組分密封氣池內(nèi)ch4、h2s、o2、co標準氣體濃度所對應的吸收峰位置并輸出至激光器驅(qū)動模塊，來反饋調(diào)控激光器驅(qū)動模塊輸出四路不同調(diào)制信號，最終鎖定對應激光器模塊輸出的中心波長；所述測量信號經(jīng)多次反射池內(nèi)待測氣體吸收后依次輸出至偏振分光棱鏡一、偏振分光棱鏡二，經(jīng)所述偏振分光棱鏡一和偏振分光棱鏡二分束后分別由光電探測器一、光電探測器二和光電探測器三接收并轉(zhuǎn)化為光電流信號，所述光電流信號合束后輸出至信號處理模塊，由信號處理模塊根據(jù)多組分氣體激光同步檢測方法和朗伯-比爾氣體吸收定理計算出待測氣體的ch4、h2s、o2、co氣體濃度值。
5、優(yōu)選的，所述測量信號和參考信號的分束比為9:1。
6、優(yōu)選的，所述多組分密封氣池內(nèi)部依次劃分為串聯(lián)、等寬度的四組獨立小氣池。
7、優(yōu)選的，所述四組獨立小氣池內(nèi)依次設有標準氣體濃度的ch4、h2s、o2、co氣體。
8、優(yōu)選的，所述信號處理模塊包括參考信號處理模塊、mcu、測量信號處理模塊和dac。
9、優(yōu)選的，所述參考信號經(jīng)多組分密封氣池內(nèi)四組標準濃度氣體吸收后，經(jīng)寬域光電探測器將參考信號轉(zhuǎn)化為光電流信號后輸出至參考信號處理模塊，經(jīng)所述參考信號處理模塊轉(zhuǎn)化為參考電壓信號后輸出至mcu，由mcu解調(diào)獲取四種標準氣體濃度所對應的吸收峰位置輸出至dac，經(jīng)dac將吸收峰位置輸出轉(zhuǎn)化為數(shù)字-模擬電壓信號以驅(qū)動激光器驅(qū)動模塊來鎖定對應激光器模塊輸出的中心波長。
10、優(yōu)選的，所述光電流信號合束后輸出至測量信號處理模塊，經(jīng)所述測量信號處理模塊轉(zhuǎn)換為測量電壓信號輸出至mcu，由mcu計算出待測氣體的ch4、h2s、o2、co氣體濃度值。
11、優(yōu)選的，所述朗伯-比爾氣體吸收定理如下：
12、
13、其中， i0為入射光強， i t為透射光強， α( ν)是吸光度，k ν是光譜吸收系數(shù)， s(t)是與溫度相關的吸收線強，?( ν)是歸一化吸收線型函數(shù)，p是壓力，x是氣體的濃度，l是吸收光程，即為多次反射池內(nèi)的光路長度。
14、一種多組分氣體激光同步檢測方法，包括以下步驟：
15、步驟1：ch4激光器、h2s激光器和o2激光器、co激光器在分別經(jīng)同向ch4和h2s模擬電壓信號和反向o2和co模擬電壓信號驅(qū)動后分別輸出四路不同波長探測激光，所述四路不同波長探測激光對應的調(diào)制信號如下：
16、
17、
18、
19、
20、其中，u1、u2、u3和u4分別為ch4激光器、h2s激光器和o2激光器、co激光器的電流調(diào)制信號；a1、a2、a3和a4分別為四種激光器電流調(diào)制信號對應的偏置電流；b1、b2、b3和b4分別為四種激光器電流調(diào)制信號的調(diào)制幅度；
21、步驟2：所述四路不同波長探測激光經(jīng)合束器耦合后輸出至分束器，經(jīng)分束器分束為測量信號和參考信號；所述參考信號依次經(jīng)多組分密封氣池、寬域光電探測器后輸出至信號處理模塊，由信號處理模塊解調(diào)獲取所述多組分密封氣池內(nèi)ch4、h本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術保護點】
1.一種多組分氣體激光同步檢測系統(tǒng)，其特征在于：包括信號處理模塊、用于輸出四路不同調(diào)制信號的激光器驅(qū)動模塊、用于輸出四路不同波長探測激光的激光器模塊、合束器、分束器、多組分密封氣池、用于檢測和響應四路波長光譜范圍的寬域光電探測器、多次反射池、偏振分光棱鏡一、偏振分光棱鏡二、光電探測器一、光電探測器二和光電探測器三；所述激光器驅(qū)動模塊包括同向放大電路一、CH4激光器驅(qū)動模塊、同向放大電路二、H2S激光器驅(qū)動模塊、反向放大電路一、O2激光器驅(qū)動模塊、反向放大電路二和CO激光器驅(qū)動模塊；
2.如權(quán)利要求1所述的一種多組分氣體激光同步檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述測量信號和參考信號的分束比為9:1。
3.如權(quán)利要求1所述的一種多組分氣體激光同步檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述多組分密封氣池內(nèi)部依次劃分為串聯(lián)、等寬度的四組獨立小氣池。
4.如權(quán)利要求3所述的一種多組分氣體激光同步檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述四組獨立小氣池內(nèi)依次設有標準氣體濃度的CH4、H2S、O2、CO氣體。
5.如權(quán)利要求1所述的一種多組分氣體激光同步檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述信號處理
6.如權(quán)利要求5所述的一種多組分氣體激光同步檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述參考信號經(jīng)多組分密封氣池內(nèi)四組標準濃度氣體吸收后，經(jīng)寬域光電探測器將參考信號轉(zhuǎn)化為光電流信號后輸出至參考信號處理模塊，經(jīng)所述參考信號處理模塊轉(zhuǎn)化為參考電壓信號后輸出至MCU，由MCU解調(diào)獲取四種標準氣體濃度所對應的吸收峰位置輸出至DAC，經(jīng)DAC將吸收峰位置輸出轉(zhuǎn)化為數(shù)字-模擬電壓信號以驅(qū)動激光器驅(qū)動模塊來鎖定對應激光器模塊輸出的中心波長。
7.如權(quán)利要求6所述的一種多組分氣體激光同步檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述光電流信號合束后輸出至測量信號處理模塊，經(jīng)所述測量信號處理模塊轉(zhuǎn)換為測量電壓信號輸出至MCU，由MCU計算出待測氣體的CH4、H2S、O2、CO氣體濃度值。
8.如權(quán)利要求1所述的一種多組分氣體激光同步檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述朗伯-比爾氣體吸收定理如下：
9.一種多組分氣體激光同步檢測方法，應用如權(quán)利要求1-8任一所述的一種多組分氣體激光同步檢測系統(tǒng)，其特征在于：包括以下步驟：
...【技術特征摘要】
1.一種多組分氣體激光同步檢測系統(tǒng)，其特征在于：包括信號處理模塊、用于輸出四路不同調(diào)制信號的激光器驅(qū)動模塊、用于輸出四路不同波長探測激光的激光器模塊、合束器、分束器、多組分密封氣池、用于檢測和響應四路波長光譜范圍的寬域光電探測器、多次反射池、偏振分光棱鏡一、偏振分光棱鏡二、光電探測器一、光電探測器二和光電探測器三；所述激光器驅(qū)動模塊包括同向放大電路一、ch4激光器驅(qū)動模塊、同向放大電路二、h2s激光器驅(qū)動模塊、反向放大電路一、o2激光器驅(qū)動模塊、反向放大電路二和co激光器驅(qū)動模塊；
2.如權(quán)利要求1所述的一種多組分氣體激光同步檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述測量信號和參考信號的分束比為9:1。
3.如權(quán)利要求1所述的一種多組分氣體激光同步檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述多組分密封氣池內(nèi)部依次劃分為串聯(lián)、等寬度的四組獨立小氣池。
4.如權(quán)利要求3所述的一種多組分氣體激光同步檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述四組獨立小氣池內(nèi)依次設有標準氣體濃度的ch4、h2s、o2、co氣體。
5.如權(quán)利要求1所述的一種多組分氣體激光同步檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：寧小玲，夏豪，翁鎮(zhèn)，胡少騰，
申請(專利權(quán))人：安徽至慧儀器科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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