一种具有温度补偿能力的光纤气体浓度检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种气体浓度检测方法，具体涉及一种具有温度补偿能力的气体浓度 检测方法，属于光纤检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 工业现场作业通常是在高温、高水分、高粉尘、强腐蚀性和高流速的环境条件下， 对现场作业的持续可靠、安全开展尤其依赖于快速准确地进行气体浓度的检测。
[0003] 传统的非光学式气体检测仪虽然可以达到较低的检测限，但是很容易受其它气体 成分的交叉灵敏，而且其响应速度较慢，可重复利用率低，使用寿命较短，难以实时连续检 测。为克服这些缺陷，半导体激光吸收光谱技术CTDLAS技术）采用了独特的"单线光谱"技 术和调制光谱技术，可不受背景气体交叉干扰和粉尘、视窗污染的干扰，因此可以将检测分 析设备直接安装在测量现场，实现其它光谱吸收技术无法或很难实现的现场在线连续气体 测量。
[0004] 目前针对工业现场的光纤气体检测，通常是利用待测气体在光纤透明窗口 (0.8~1.7 ym)内的吸收峰，测量由气体吸收产生的光强衰减，从而推演出待测气体的浓 度。具体采用谐波检测的办法，对半导体激光器光源进行正弦信号（或三角波）调制，而调 制光信号的谐波成分经气体吸收后与气体浓度成正比，通过检测这些谐波分量就可得到待 测气体的浓度信息。上述检测方法忽略了待测气体环境温度的变化所带来的吸收系数变化 的影响。实际上，在实际测量环境中，待测气体环境温度的变化对气体分子的旋转、振动等 过程产生影响，从而引起吸收系数的变化，影响气体浓度的检测。因此，在检测气体浓度的 同时需要确定气体的所处的环境温度，用以校正被测气体的浓度。如何确定气体吸收线随 测量环境温度变化的特性使得能够在温度变化的环境中测量气体的浓度，一直未能很好解 决。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明提供一种具有温度补偿能力的光纤气体浓度检测方法，采用该 方法能够针对传统的双波长差分气体检测方式，建立温度补偿的数学模型以去除温度因子 对吸收系数的影响，从而消除温度变化所引入的气体浓度检测的误差，获取较高的检测精 度。
[0006] 实现本发明的技术方案如下
[0007] -种具有温度补偿能力的光纤气体浓度检测方法，具体过程为：
[0008] 步骤一，激光器产生两个中心波长为A1和A2的光信号，其中A1对应待测气体 的吸收峰，A2对应参考气体的吸收峰；
[0009] 步骤二，光信号经光纤传输后通过分光器分成两束后，分别通过存储有参考气体 的参考气室和存储有待测气体的检测气室；
[0010] 步骤三，重复步骤二，多次测量由参考气室和检测气室出射光的谱线强度；
[0011] 步骤四，利用公式（1)对所述谱线强度进行线性拟合，获得波长A1单色光的吸收 系数温度影响拟合系数&1，bi，C1，获得波长A2单色光的吸收系数温度影响拟合系数a2,b2， c2;
[0012] S=a+bT'+cT2 (I)
[0013] 其中，T为气室内的环境温度；
[0014] 步骤五，根据拟合系数，利用公式（2)计算经过温度补偿后的气体浓度；
[0017] 其中，1表示光程，n为温度系数，I(M)为波长A1单色光的谐波光强，I(入2) 为波长A2单色光的谐波光强，T。为参考温度296k，y。为温度T。下吸收线的半高半宽，k 为玻尔兹曼常量，P为待测气体的压强。
[0018] 有益效果
[0019] 该方法建立了光纤气体检测系统的温度补偿模型，实现了考虑温度变化因子的光 纤气体浓度检测系统，通过温度补偿的方式抑制环境温度变化给气体浓度检测带来的干 扰，减小由于环境温度变化引入的测量误差，提高系统的检测精度。
[0020] 该检测方法可有效抑制杂散光干扰和信号噪声，在消除光源输出光功率不稳等光 路因素影响的同时还消除了温度因素的干扰。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明检测方法的流程图；
[0022] 图2为本实例检测过程的示意图；
[0023] 图3为本实例温度补偿过程的示意图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0025] 本实施例提供一种具有温度补偿能力的光纤气体浓度检测方法，通过对气体吸收 线的谱线强度进行拟合，对因温度变化所带来的气体浓度检测误差影响进行温度补偿，抑 制环境温度变化给检测带来的干扰，从而精确获得被测气体的浓度。
[0026] 如图1所示，本发明一种具有温度补偿能力的光纤气体浓度检测方法，具体过程 为：
[0027] 步骤一，激光器产生两个中心波长为A1和A2的光信号，其中A1对应待测气体 的吸收峰，A2对应参考气体的吸收峰；
[0028] 步骤二，光信号经光纤传输后通过分光器分成两束后，分别通过存储有参考气体 的参考气室和存储有待测气体的检测气室；
[0029] 步骤三，重复步骤二，多次测量由参考气室和检测气室出射光的谱线强度；
[0030]步骤四，利用公式（1)对所述谱线强度进行线性拟合，获得波长A1单色光的吸收 系数温度影响拟合系数&1，bpC1，获得波长A2单色光的吸收系数温度影响拟合系数a2,b2， C2;
[0031]S=a+bT'+cT2 (I)
[0032] 其中，T为气室内的环境温度；
[0033] 步骤五，根据拟合系数，利用公式（2)计算经过温度补偿后的气体浓度；
[0036] 其中，1表示光程，n为温度系数，I(A1)为波长M单色光的谐波光强，I(入2) 为波长A2单色光的谐波光强，T。为参考温度296k，y。为温度T。下吸收线的半高半宽，k 为玻尔兹曼常量，P为待测气体的压强。
[0037] 本发明公式（2)中充分考虑了温度对吸收系数的影响，通过建立温度补偿的数学 模型以去除温度因子对吸收系数的影响，相比于现有检测方法，本发明方法所检测的气体 浓度具有较高的检测精度。
[0038] 下面对公式（1)和公式（2)的推导过程进行详细说明：
[0039] 用两个波长A1和A2相隔极近（在吸收系数上有很大差别：其中A1在待测气 体吸收峰上，而待测气体对A2吸收很弱或不吸收，同时也要避开其它非待测气体分子等 的吸收）的单色光同时或相差很短时间内通过待测气体，将光强相除可得：
[0041] 其中，1表不光程；
[0042]在波长入1、入2下，如气体的吸收系数a(M)、a(A2)都可以通过标准气体测 量得到，则在同种条件下，待测气体的浓度就可以通过测量谐波光强I(M)和IU2)求 出。
[0043] 然而，根据光谱线的展宽原理，吸收系数a随着外界温