一種基于紫外光調制的氣體濃度測量裝置及方法與流程
本發明涉及一種基于光學和光譜學技術的氣體濃度測量裝置，尤其是涉及一種基于紫外光調制的氣體濃度測量裝置及方法，屬于光學測量技術領域。
背景技術：
近年來，隨著國家對于環境保護的日趨重視，以及出于保證工業生產安全高效進行的需要，準確監測污染物氣體組分的濃度對于控制空氣污染氣體排放有著重大的意義。
目前應用于污染物氣體濃度測量的方法，按照工作原理來分，主要分為非光學和光學分析法兩種。非光學分析法主要有超聲波技術法、氣敏法、熱催化法、氣相色譜、光干涉法等，但是由于其極易受如溫度、壓力、濕度等環境因素的影響，很難應用于現場氣體分析。光學氣體濃度分析法，主要是基于光譜學的基本原理，當激光頻率與氣體吸收組分的躍遷頻率相同時，激光能量將被吸收，通過對比入射光強與透射光強可以得到沿光路徑的吸收值，進而確定氣體溫度和濃度等物性參數，具有無需預處理、響應快速、數據準確、多參數同時檢測等優勢，成為目前應用于眾多領域的現場在線檢測技術之一。
光譜法主要包括傅里葉變換紅外光譜技術(FTIR)、激光光聲光譜技術(PAS)、可調諧激光二極管吸收光譜技術(TDLAS)、差分吸收光譜技術(DOAS)等。FTIR技術主要基于邁克爾遜干涉儀原理，紅外光源經準直透鏡準直后發出平行光，經待測氣體吸收后由望遠鏡系統接收，再經過干涉儀匯聚到探測器，從而得到待測氣體的干涉信號，經傅里葉變換后即可得到不同濃度下氣體的吸收光譜信息，從而計算出氣體的濃度。但是FTIR設備比較龐大，響應速度也相對較慢，并且價格相對昂貴，因此未來還需要一定的發展。PAS技術是一種利用光聲效應的氣體濃度測量方法，激光二極管發射的激光速能量被待測氣體吸收后轉化為熱能，從而使局部氣體的溫度產生了變化，同時引起氣壓的變化，產生光聲波，利用聲波微音器探測產生額聲波并根據聲波的幅值完成氣體濃度的反演。但是采用共振模式極易受環境噪聲的干擾，影響測量精度。TDLAS技術是基于半導體激光器的窄線寬特性的一種光譜測量方法，可以實現混合氣體的多組分、多參數同時測量，其通用性非常強，測量分辨率高，選擇合式的待測氣體特征吸收譜線即可以測出痕量氣體的濃度，但是其系統結構復雜、設備成本昂貴，并且掃描范圍較窄。
DOAS技術是根據大氣中氣體在紫外波段的氣體吸收光譜的窄帶吸收特性來進行濃度反演。待測氣體的吸收光譜信號在光譜上的表現為隨波長快速變化的窄帶光譜。通常通過濾波等技術將吸收光譜中的寬帶成分扣除，得到氣體吸收的差分吸收光譜，進而通過最小二乘算法計算得到氣體濃度。其系統結構簡單，測量波段范圍大，已廣泛應用于空氣污染物的檢測，包括臭氧、氮氧化物、二氧化硫等。對于光譜儀，噪聲主要來源于CCD器件，包括浮置放大器的輸出噪聲、轉移噪聲、暗電流噪聲、積分期間電荷注入器件的噪聲，在低濃度氣體探測方面，由于氣體的吸收較弱，光譜儀采集的有效信號幅值較小，噪聲對測量結果的干擾十分明顯，嚴重限制了其測量氣體濃度的下限。因此，發展一種降低光度噪聲，提高信噪比的氣體濃度測量裝置及方法尤為重要。
技術實現要素：
發明目的：本發明所要解決的技術問題是提供一種基于紫外光調制的氣體濃度測量裝置。
本發明還要解決的技術問題是提供上述基于紫外光調制的氣體濃度測量裝置的氣體濃度測量方法，該方法能夠極大的提高測量信號的信噪比，非常適用于低濃度氣體的監測。
為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案為：
一種基于紫外光調制的氣體濃度測量裝置，依次包括信號發送模塊、氣體測量模塊、信號接收模塊以及信號處理模塊；信號發送模塊包括由紫外石英光連接的紫外氘燈光源和光學斬波器；氣體測量模塊包括伴熱管帶、氣池以及包裹在氣池外的加熱模塊；信號接收模塊由以CCD陣列為檢測核心的光譜儀組成；待測氣體通過伴熱管帶預熱后進入氣池，加熱模塊使氣池維持在設定溫度，紫外氘燈光源發出的光經光學斬波器調制后由紫外石英光纖傳輸至氣池的入射口，經待測氣體吸收后從氣池出來并由光譜儀接收信號，傳輸至信號處理模塊進行處理。
其中，所述紫外光源能夠持續發出穩定的185nm到400nm波段的紫外光譜。
一種基于紫外光調制的氣體濃度測量方法，包括如下步驟：
步驟1，采用光學斬波器對紫外光源發射的光進行正弦調制，將調制后的光經紫外石英光纖傳輸至氣池的入射光口；
步驟2，將步驟1的調制光穿過充滿N2的氣池，由光譜儀采集背景光強信號；再將步驟1的調制光穿過充滿參考標準氣體(N2)的氣池，由光譜儀采集參考透射光強信號；最后將步驟1的調制光穿過充滿待測氣體的氣池，由光譜儀采集待測透射光強信號；
步驟3，分別對背景光強信號、參考透射光強信號和待測透射光強信號進行參數設置相同的數字鎖相、低通濾波過程，得到各自對應的一次諧波信號；
步驟4，依據Beer-Lambert定律，對背景光強、參考透射光強信號的一次諧波進行進一步處理，選擇合適的多項式系數擬合光譜吸光度中的慢變化部分，獲得各氣體組分在測量波段的差分吸收截面；
步驟5，依據Beer-Lambert定律，對背景光強，待測透射光強信號的一次諧波進行進一步處理，選擇合適的多項式系數擬合光譜吸光度中的慢變化部分，獲得差分吸光度，建立差分吸光度與差分吸收截面、濃度之間的方程組；
步驟6，將步驟4中獲得的差分吸收截面作為已知，帶入步驟5中的方程組，反演出待測氣體各組分濃度。
與現有技術相比，本發明技術方案具有的有益效果是：
相對于現有的差分吸收光譜技術，本發明采用了紫外光調制的方法進行氣體濃度的測量，該方法不需要額外考慮光譜儀的背景暗電流等低頻噪聲，具有良好的噪聲抑制特性，對弱吸收具有高的靈敏度，降低了現有差分吸收光譜技術的濃度檢測下限，因此，本發明技術對于在惡劣的工業現場中實現準確檢測待測氣體濃度具有重要的應用價值。
附圖說明
圖1為本發明基于紫外光調制的氣體濃度測量裝置的系統原理圖；
圖2為本發明基于紫外光調制的氣體濃度測量方法的流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的技術方案做進一步說明，但是本發明要求保護的范圍并不局限于此。
實驗裝置如圖1所示，依次包括信號發送模塊1、氣體測量模塊2、信號接收模塊3以及信號處理模塊4；信號發送模塊1包括由紫外石英光纖7連接的紫外氘燈光源5和光學斬波器6；氣體測量模塊2包括伴熱管帶10、氣池8以及包裹在氣池8外的加熱模塊9；信號接收模塊3由以CCD陣列為檢測核心的光譜儀12組成；待測氣體13通過伴熱管帶10預熱后進入氣池8，加熱模塊9使氣池8維持在設定溫度，紫外氘燈光源5發出的光經光學斬波器6調制后由紫外石英光纖7傳輸至氣池8的入射口，經待測氣體吸收后從氣池8出來并由光譜儀12接收信號，然后將采集到的光信號轉換成電信號傳輸至信號處理模塊4進行處理。
紫外氘燈光源5能夠持續發出穩定的185nm到400nm波段的紫外光譜，在實際測量中采用的紫外光源并不限于氘燈。
如圖2所示，本發明基于紫外光調制的氣體濃度測量方法，包括如下步驟：
步驟1，采用光學斬波器對紫外氘燈光源發射的任意波長λi的光進行高頻正弦調制，調制頻率為fm，紫外石英光纖將調制后的光傳輸至氣池的入射口；
步驟2，將步驟1的調制光穿過充滿N2的氣池，由光譜儀采集背景光強信號，記為0Iλi(t)；將步驟1的調制光穿過充滿參考標準氣體的氣池，由光譜儀采集參考透射光強信號，記為RIλi(t)；將步驟1的調制光穿過充滿待測氣體的氣池，由光譜儀采集待測透射光強信號，記為MIλi(t)；下標λi表示在185nm到400nm波段選定的某一波長處；
步驟3，使用數字鎖相過程處理背景光強信號0Iλi(t)、參考透射光強信號RIλi(t)和待測透射光強信號MIλi(t)，得到包含一次諧波信號的x分量和y分量：
式(1)中，分別是背景光強0Iλi(t)對應的的x分量、y分量；分別是參考氣體透射光強信號RIλi(t)對應的x分量、y分量；分別是處理待測透射光強信號MIλi(t)得到的x分量、y分量；
然后經低通濾波器提取各信號的一次諧波X分量和Y分量：
波長λi處背景光強信號、參考透射光強信號和待測氣體的透射光強信號的一次諧波如式(3)所示；
步驟4，依據Beer-Lambert定律，與之間存在如下關系：
式中，σ′j(λi)為隨波長快速變化的高頻窄帶吸收截面，σjs(λi)為隨波長緩慢變化的低頻寬帶吸收截面，參考標準氣體中各氣體組分濃度Cj為已知，εR(λi)和εM(λi)分別為顆粒所引起的Rayleigh和Mie散射截面。根據差分吸收光譜技術，將σjs(λi)、εR(λi)和εM(λi)歸結為低頻部分，σ′j(λi)歸結為高頻部分；選擇合適的多項式系數來擬合式(4)中的低頻部分，獲得沒有任何差分吸收情況下的透射光強對應的一次諧波
將式(5)帶入式(4)，得到：
利用式(6)聯立方程組計算得到各氣體組分在波長λi處的差分吸收截面σ′j(λi)；
步驟5，與之間存在如下關系：
待測氣體濃度cj未知。選擇合適的多項式系數來擬合式(7)中的低頻部分，獲得沒有任何差分吸收情況下的透射光強對應的一次諧波
得到差分吸光度D′(λi)：
步驟6，對于n種氣體組分，在波段內選擇m個波長，式(9)可以表示成如下方程組，通過解方程組即可得到待測氣體各組分濃度cj：
顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬于本發明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之中。
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