一种用于短光程弱吸收下的调制TDLAS温度浓度同步检测方法

本发明属于实验测试，针对短光程弱吸收下流场温度和组分的测量，搭建了tdlas免标定测量系统，具体涉及激光器谱线选择原则、扫描信号调制信号频率的匹配原则以及数据处理方法的改进。

背景技术：

1、温度与组分测量是空气动力学、爆炸与冲击、燃烧与化学反应等很多研究领域中一种重要的测试技术之一，目前采用的非接触式测试方法主要为可协调二极管激光吸收光谱仪技术，也称tdlas，其可以实现温度、速度、压力及组分等的同步测量，具有高灵敏度、快时间响应及非接触等特点，在痕量气体的检测与燃烧诊断领域具有广阔的应用前景。

2、为了降低噪声对测量结果的影响，提高信噪比，在信号检测方法上常采用波长调制光谱(wms)方法，其中二次谐波检测最为常用。在波长调制技术中，吸收信号与线性函数是相互耦合的，目前还没有完备的解耦方法，因此在利用wms进行温度检测时，一般需要对解调的谐波信号进行标定。为了解决这一难题，研究人员开发出了一系列免标定wms方法，主要包括基于hitran数据库仿真的谐波分析法和wms-2f/1f波形拟合法等。然而基于hitran数据库仿真的谐波分析法需要精确的谱线参数(例如，自展宽系数、各种其他组分的碰撞展宽系数、温度依赖指数等)及激光器调制特性参数，测量结果受谱线参数的影响较大。wms-2f/1f波形拟合方法无需较多的谱线参数，近年来被广泛的应用于气体参数的测量中，然而该方法需要进行大量的迭代拟合计算，计算量较大，对硬件和拟合算法要求较高。专利cn117092064a介绍了一种基于对数法的免校准谐波信号解调方法，该方法较波形拟合法计算速度更快，但并没有涉及到短光程弱吸收的情况。专利cn217443165u发明了一种用于增加光程来提高吸收强度的气体检测装置，但是此发明仍旧是在长光程下测量的。在短光程弱吸收下测量信噪比低。因此，提出一种在短光程弱吸收下信噪比高且无需进行复杂的最小二乘拟合的免标定wms方法尤为重要。

技术实现思路

1、本发明设计了一套短光程下tdlas免标定温度组分测量系统，以解决短光程下温度组分测量信噪比低的技术问题。

2、主要包括：短光程吸收池、信号发生器、两支激光器、两个激光器驱动座、两个光电探测器、压力传感器、标准具、波长计、高纯氮气、数据处理采集系统。在上述系统基础上，提出了激光器谱线选择原则、扫描信号调制信号频率的匹配原则以及开发了新的数据处理方法。

3、短光程温度组分检测系统采用信号发生器同步输出两路锯齿与正弦叠加信号分别至第一激光器驱动座和第二激光器驱动座，分别驱动第一激光器和第二激光器发射激光，激光穿越吸收池，第一光电探测器和第二光电探测器接收光强信号并发送至数据采集处理系统；在进行实验前，需要使用标准具、波长计完成激光器时域至频域的转换，以及用通入氮气至吸收池置换的方式测量激光器无吸收时的激光强度；第一压力传感器和第二压力传感器，用于采集测量位置的压力数据。

4、本发明技术方案为：一种用于短光程弱吸收下的调制tdlas温度浓度同步检测方法，该检测方法包括以下步骤：

5、步骤1：根据测量温度及光程进行谱线对选择，选择1300-1700nm波段的谱线；灵敏度计算公式见(1)，灵敏度大于1；当谱线与灵敏度无法同是满足测量要求时优先吸收强度高的谱线，灵敏度大于0.5；

6、

7、其中，h为普朗克常量，c为光速，k为玻尔兹曼常数，e"为吸收谱线低态能级能量，t为变量温度；

8、步骤2：采用信号发生器(1)同步输出两路锯齿与正弦叠加信号分别至激光控制器1(2)和激光控制器2(3)，分别驱动第一激光器(4)和第二激光器(5)发射激光，激光穿越吸收池(6)，第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)分别测量无吸收激光强度i0(t)和有吸收透射光强信号

9、步骤3：测量激光经过标准具后的干涉峰信号，并根据标准具的自由谱范围，利用寻峰函数将时域光强信号转换成频域光强信号，从而得到激光器相对波数随时间的变化关系；

10、

11、利用波长计测量得到光谱吸收波长下对应的电流值，最终得到绝对波数随时间的变化关系；

12、

13、其中ω＝2πfm，fm是指输入至激光器驱动座信号的调制频率，指激光器频移，v0指初始时刻激光器的中心波数。

14、步骤4：使高纯氮气充满吸收池，开始采集无吸收激光强度信号；将采集得到的信号进行拟合得到无吸收激光强度i0(t)；

15、

16、其中，i0和i1分别是激光器线性和非线性强度调制系数。和分别是线性和非线性强度相移。

17、根据beer-lambert定律，假设初始温度t0,建立模拟吸收信号模型

18、

19、其中，表示吸收组分的线型函数，a是指吸收组分的积分吸光度，表示为：

20、a＝p.x.s(t).l                          (6)

21、其中，p表示测量点的压力，单位为atm；x表示吸收组分的摩尔分数；s(t)表示为吸收谱线强度；l为吸收光程，单位为cm-1；

22、步骤5：对实际吸收信号与模拟吸收信号进行锁相滤波处理，分别得到对应扣除背景的实际吸收归一化二次谐波与模拟吸收归一化二次谐波

23、步骤6：通过迭代中心波数v0，使与峰值位置相同，矫正步骤3测量得到的绝对波数随时间的变化关系；

24、步骤7：通过迭代水分子摩尔分数x，使与吸收中心峰值相同，计算得到两个激光器的积分吸光度a1、a2。

25、步骤8：根据a1、a2计算得到t1：

26、

27、通过与初始温度进行比较进行温度迭代，求出正确的温度，从而求出水分子摩尔分数。

28、进一步地，正弦信号的频率至少是锯齿信号频率的100倍。

29、进一步地，对实际吸收信号与模拟吸收信号进行锁相滤波处理时，采用带有hann窗函数的fir低通滤波器，滤波器的参数设置要保持一致。

30、本发明的有益效果为：本发明提供了一套短光程(光程l为3.2cm)弱吸收(激光穿越玻璃情况下)tdlas免标定温度组分同步检测系统：短光程吸收池、信号发生器、两支激光器、两个激光器驱动座、两个光电探测器、压力传感器、标准具、波长计、高纯氮气、数据处理采集系统。本发明提出了一种在短光程弱吸收下进行免标定测量时谱线的选择原则：当线强与灵敏度无法同是满足测量要求时应优先吸收强度高的谱线，灵敏度大于0.5即可。本发明提出了一种基于拟合光谱吸收率归一化二次谐波峰值和峰值位置的温度组分测量算法，与最小二乘拟合算法相比，计算效率显著提高。

技术特征：

1.一种用于短光程弱吸收下的调制tdlas温度浓度同步检测方法，其特征在于：该检测方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于短光程弱吸收下的调制tdlas温度浓度同步检测方法，其特征在于：正弦信号的频率至少是锯齿信号频率的100倍。

3.根据权利要求1所述的一种用于短光程弱吸收下的调制tdlas温度浓度同步检测方法，其特征在于：对实际吸收信号与模拟吸收信号进行锁相滤波处理时，采用带有hann窗函数的fir低通滤波器，滤波器的参数设置要保持一致。

技术总结
一种用于短光程弱吸收下的调制TDLAS温度浓度同步检测方法，属于实验测试技术领域。检测系统包括：短光程吸收池、信号发生器、两支激光器、两个激光器驱动座、两个光电探测器及数据处理采集系统等。在上述系统基础上，提出了激光器谱线选择原则：当线强与灵敏度无法同是满足测量要求时应优先吸收强度高的谱线，以及基于拟合光谱吸收率归一化二次谐波峰值和峰值位置的温度组分测量算法，与最小二乘拟合算法相比，计算效率显著提高。

技术研发人员：周一卉,任云浩,胡大鹏,刘志军,高凤,段笑明
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24