红外激光光谱痕量水汽检测系统及其检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于气体浓度检测技术领域，具体涉及一种红外激光光谱痕量水汽检测系 统及其检测方法。
【背景技术】
[0002] 工业过程常涉及高浓度过程气体，如冶金行业的制酸过程高浓度S02气体、半导 体工业中高纯度NH3气体等，为了保证产品质量和设备安全，需要尽可能提高气体纯度，降 低杂质成分含量，其中水汽是最为常见的杂质气体，如制酸过程高浓度S02气体中水汽杂 质会导致催化剂失效和管道设备腐蚀，半导体工业中高纯度NH3气体中水汽杂质会影响半 导体的光电，降低最终产品的质量。因此，针对工业过程高浓度气体中痕量水汽高灵敏测量 方法与仪器具有显著需求。
[0003] 露点分析仪器是目前水汽测量的主要设备，但露点分析仪器无法应用于工业腐蚀 性气体中痕量水汽的在线检测。红外激光光谱法是目前最新的痕量水汽在线检测技术，其 非接触、长寿命优点特别适合于工业环境痕量水汽在线测量。专利CN104280362A提出一种 高温水汽激光光谱在线检测系统，针对高温环境水汽光谱检测的光谱修正问题，通过水汽 两条吸收谱线的同时检测实现水汽温度的同时检测，实现光谱同步温度修正和水汽浓度的 精确测量。但基于单线分析的红外激光光谱技术需要对水汽一条不受背景气体成分干扰的 孤立谱线，通常检测条件下这种要求较容易满足，但在高浓度背景气体下，微弱背景气体分 子吸收谱线也会对痕量水汽检测造成干扰，特别是对于NH3和S02这类在水汽光谱检测的 近红外光谱区具有较高谱线密度作为背景气体的情况下，测量精度受到较大限制。同时，水 汽也是环境大气的主要成分，受到光路设计的限制，样品区外检测光路的水汽干扰也会对 红外激光光谱法应用于工业高纯气体中痕量水汽测量造成影响。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种针对工业领域高纯度过程气体中痕量水汽高灵敏检测 的红外激光光谱痕量水汽检测系统及其检测方法，消除背景气体光谱和环境水汽干扰，满 足工业过程高浓度气体中痕量水汽杂质在线检测应用需求。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：一种红外激光光谱痕量水汽检测 系统，包括红外半导体激光器，所述红外半导体激光器发出的光束经分束器分束成光强比 例为1:1的检测光和参考光，所述检测光和参考光分别入射到检测吸收池和参考吸收池， 所述检测吸收池和参考吸收池为光程相同的两个多次反射光学吸收池，所述检测吸收池设 有进气口和出气口，检测样气通过进气口进入吸收池，并由出气口流出，所述参考吸收池中 密封有一个大气压的与检测样器的背景气体种类相同的高纯标准气体，检测光和参考光通 过吸收池后，分别由第一光电探测器和第二光电探测器进行光电转换，并将信号发送至信 号采集处理模块得到检测光谱信号和参考光谱信号；系统还包括信号发生电路和半导体激 光器控制模块，所述信号发生电路分别向半导体激光器控制模块和信号采集处理模块输出 锯齿波信号，所述半导体激光器控制模块将该锯齿波信号与红外半导体激光器的激光器驱 动电流叠加，实现输出波长在设定波长范围内周期性连续扫描；
[0006] 以及一种应用上述系统进行检测的检测方法，包括以下步骤：
[0007] 光谱归一化，分别用检测光谱信号Sjn)和参考光谱信号Rjn)顶端没有气体吸收 的％个数据点进行平均获取信号强度参数值S。"和R&，用于对检测光谱信号Sjn)和参考 光谱信号Rjn)归一化计算，得到归一化检测光谱信号S(n)和参考光谱信号R(n):
[0008]
[0009] 光谱差分对消，对归一化检测光谱信号S(n)和参考光谱信号R(n)进行差分处理， 得到净检测光谱信号D(n):
[0010] D (n) = R (n) -S (n)；
[0011] 谱线线性拟合，对净检测光谱信号D(n)进行光谱线型拟合，拟合线型函数取为洛 伦兹函数，拟合函数为：
[0012]
[0013] 其中，〇。为直流背景，ru为洛伦兹半宽，n。是谱线的中心位置，A是水汽目标吸收 线积分吸收线强，A与水汽浓度成正比；
[0014] 水汽浓度反演，首先获取校准水汽目标吸收线积分吸收线强A。:将检测吸收池 中充入已知水汽浓度C。的一个标准大气压水汽校准气体，记录检测吸收池校准光谱信号 X。(n)，用校准光谱信号X。(n)顶端没有气体吸收的n。个数据点进行平均获取信号强度参数 值X&，用于对校准光谱信号Xjn)归一化计算，得到归一化校准光谱信号X(n):
[0015]
[0016] 利用归一化校准光谱信号（X(n))两端没有水汽吸收的数据点拟合背景信号 (B(n))，拟合函数为：
[0017] B (n)=
[0018] 其中：a。、&1、a2为拟合参数；
[0019] 归一化校准光谱信号X(n)减去拟合背景信号B(n)得到净校准光谱信号（Y(n)):
[0020] Y (n) = X (n) -B (n)
[0021] 对净校准光谱信号（Y(n))进行光谱线型拟合，拟合线型函数取为洛伦兹函数，拟 合函数为：
[0022]
[0023] 其中，〇'。为净校准光谱信号直流背景，1!\为净校准光谱信号谱线洛伦兹半宽， n' c是净校准光谱信号谱线的中心位置，A。水汽校准气体目标吸收线积分吸收线强；
[0024] 利用A。和检测样气中水汽目标吸收线积分吸收线强A比值关系可以得到样气中 水汽浓度C。，校准关系为：
[0025]
[0026] C即为检测的水汽浓度数据。
[0027] 本发明的技术效果在于：本发明采用双吸收池结构，通过检测光路与参考光路的 光谱信号差分对消，消除高浓度背景气体光谱和吸收池外环境水汽的影响，抑制光学系统 共模噪声，实现高浓度工业气体中痕量水汽的高灵敏检测。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明基于双光路差分对消的红外激光光谱痕量气体检测系统构成图；
[0029] 图2为本发明基于双光路差分对消的红外激光光谱痕量气体检测数据处理方法 流程图；
[0030] 图3为本发明基于双光路差分对消的红外激光光谱痕量气体检测数据处理方法 信号图。
[0031] 图1中标号：1红外半导体激光器，2半导体激光器控制模块，3信号发生电路，4 1 X 2光纤分束器，5第一光纤准直透镜，6第一光纤准直透镜，7进气口，8检测吸收池，9出 气口，10加热带，11温度传感器，12第一光电探测器，13温度控制器，14第一低通滤波放大 电路，17参考吸收池，18第二光电探测器，20第二低通滤波放大电路，21信号采集处理模 块。
【具体实施方式】
[0032] 如图1所示，一种红外激光光谱痕量水汽检测系统，包括红外半导体激光器1，所 述红外半导体激光器1发出的光束经分束器4分束成光强比例为1:1的检测光和参考光， 所述检测光和参考光分别入射到检测吸收池8和参考吸收池17,所述检测吸收池8和参考 吸收池17为光程相同的两个多次反射光学吸收池，所述检测吸收池8设有进气口 7和出气 口 9,检测样气通过进气口 7进入吸收池，并由出气口 9流出，所述参考吸收池17中密封有 一个大气压的与检测样器的背景气体种类相同的高纯标准气体，检测光和参考光通过吸收 池后，分别由第一光电探测器12和第二光电探测器18进行光电转换，并将信号发送至信号 采集处理模块21得到检测光谱信号和参考光谱信号；系统还包括信号发生电路3和半导体 激光器控制模块2,所述信号发生电路3分别向半导体激光器控制模块2和信号采集处理模 块21输出锯齿波信号，所述半导体激光器控制模块2将该锯齿波信号与红外半导体激光器 1的激光器驱动电流叠加，实现输出波长在设定波长范围内周期性连续扫描。
[0033] 以近红外半导体激光器作为检测光源，半导体激光器控制模块通过温度和电流控 制将半导体激光器的输出中心波长调谐到水汽目标吸收谱线中心，设置信号发生电路，以 所述信号发生电路产生的锯齿波信号叠加在半导体激光器控制模块上使其输出波长在设 定波长范围内周期性连续扫描，半导体激光器输出的激光束分束由光纤分束器分为为检测 光和参考光
[0034] 检测光和参考光通过吸收池后分别由光电探测器进行光电转换并低通滤波放大 后经模数转换和信号采集得到检测光谱信号S。(n)和参考光谱信号R。(n)，如图3 (a)、（b)所 示，其中n为时序采样点数。检测光谱信号Sjn)包含有检测吸收池内水汽吸收光谱信号、 检测吸收池外水汽吸收光谱信号、背景气体吸收光谱信号，以及光学噪声等；参考光谱信号 R(n)包含有参考吸收池外水汽吸收光谱信号、背景气体吸收光谱信号，以及光学噪声等。
[0035] 进一步的，所述检测吸收池8和参考吸收池17上均安装有加热带10和温度传感 器11，温度控制器13通过加热带10和温度传感器11将检测吸收池8和参考吸收池17的 温度控制在水汽冷凝温度以上，以防止检测吸收池8和参考吸收池17内的水汽冷凝，影响 检测结果的准确性。作为本发明的优选实施例，温度控制器13将检测吸收池8和参考吸收 池17的温度控制在50 °C。
[0036] 进一步的，所述检测吸收池8和参考吸收池17的外部光路也保持一致，以进一步 确保检测结果的准确性。
[0037] 进一步的，所述第一、第二光电探测器12、18与信号采集处理模块21之间分别设 有第一低通滤波放大电路14和第二低通滤波放大电路20。所述检测光经检测吸收池8后 出射形成输出光，所述输出光到达第一光电探测器12后转换电信号，所述第一光电探测器 12的输