一种激光多气体混叠光谱解调和非线性补偿的浓度检测方法

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，特别是涉及一种激光多气体混叠光谱解调和非线性补偿的浓度检测方法。

背景技术

采用激光光谱技术进行多种气体同时测量时，谱线之间的交叉干扰问题一直以来都是困扰的难题，比如：CO和CH

电化学传感器是检测煤矿中CO和CH

可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术采用窄线宽可调谐的激光器作为光源，通过控制温度和电流来获得合适的激光输出波长，当激光穿过对该波长有吸收的气体介质时，能量被吸收。根据Beer-Lambert吸收定律，可通过测量透射光谱信号，得到光束路径上的气体吸收强度，进而反演得到气体浓度参数。实际应用中，为了能够测量得到浓度更低的微量气体，往往使用波长调制技术。波长调制技术具有抗干扰能力强、灵敏度高等优点，但是波长调制技术一般要求其测量的气体吸光度要小于0.05，否则会产生明显的非线性。而在煤矿中微量CO的吸光度不会超过0.05，但是高浓度CH

在特殊工况中，多种气体同时存在，并且浓度差别在3-4个数量级。例如：在煤矿中，微量CO和高浓度CH

因此亟需提供一种新型的多种气体同时检测的方法来解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种激光多气体混叠光谱解调和非线性补偿的浓度检测方法，能够实现多种气体二次谐波混叠光谱的解调，并基于解调得到的结果对浓度进行非线性补偿，得到精确的气体浓度信息。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种激光多气体混叠光谱解调和非线性补偿的浓度检测方法，所述待测气体为多气体混叠光谱信号，包括气体A、气体B，且气体A为单一谱线吸收气体、吸光度小于0.05，气体B的吸光度大于0.05，所述检测方法包括以下步骤：

S1：采集气体A、气体B标准气体的二次谐波作为参考信号，此时的气体A和气体B的浓度分别记为CR

S2：采集待测气体的实时二次谐波信号，记为S；

S3：根据步骤S2中的实时二次谐波信号S和步骤S1中的气体A、气体B参考信号SR

S4：采集四组不同标准浓度C

S5：对步骤S4中的四组标准浓度C

S6：根据步骤S5中的非线性修正模型对步骤S3中求出的气体B浓度CM

S7：根据修正前后的气体B浓度之间的比例关系，对混合气体中的气体A浓度进行修正，得到最终的气体A浓度C

在本发明一个较佳实施例中，在步骤S1、S2和S4中，采集气体的二次谐波信号均进行数据预处理，包括背景光强消除、光谱校正、多次平均、S-G滤波。

在本发明一个较佳实施例中，在步骤S3中，计算实时二次谐波信号中气体A、气体B的浓度CM

首先实时二次谐波信号S记为步骤S1中标准气体A和气体B气体的二次谐波的比例叠加，表示为以下形式：

S＝k

其中，k

然后基于非负最小二乘法求解比例系数k

min

最后根据下列两式求出实时二次谐波信号中气体A、气体B的浓度CM

CM

CM

在本发明一个较佳实施例中，步骤S4的具体步骤包括：

将四组不同标准浓度分别为C

M

在本发明一个较佳实施例中，在步骤S5中，得到气体B浓度的非线性修正模型的具体步骤包括：

根据泰勒展开公式，利用三次多项式进行拟合，最终的非线性修正模型表示为：

M＝f

其中，M表示计算得到的浓度结果，C表示标准气体的浓度，f

在本发明一个较佳实施例中，在步骤S7中，对混合气体中的气体A浓度进行修正的公式如下：

本发明完成混叠光谱解调的原理是基于非负最小二乘算法，完成非线性补偿是基于比尔朗伯定律和波长调制技术的原理及其泰勒展开公式。

本发明的有益效果是：

(1)本发明能够实现多种气体二次谐波混叠光谱的解调，并基于解调得到的结果对浓度进行非线性补偿，得到精确的气体浓度信息；该方法能够弥补现有方法的不足，能够满足特殊工况环境中多种气体同时在线监测的需求；

(2)本发明利用一套波长调制系统完成了煤矿中CO和CH

附图说明

图1是本发明一种激光多气体混叠光谱解调和非线性补偿的浓度检测方法的流程图；

图2是单一CO气体、单一CH

图3是CH

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1和图2，本发明实施例包括：

一种激光多气体混叠光谱解调和非线性补偿的浓度检测方法，包括以下步骤：

本示例以煤矿等特殊工况中的微量CO和高浓度CH

S1：采集CO、CH

其中，采集已知浓度的CO和CH

S2：采集待测气体的实时二次谐波信号，记为S；

在一定条件下，可以理解为此时得到的二次谐波信号S是步骤S1中标准CO和CH

S＝k

其中，k1、k2为比例系数。

S3：根据步骤S2中的实时二次谐波信号S和步骤S1中的CO、CH

非负最小二乘方法是一种求解步骤S2中k

利用该方法求解得到两个比例系数的值之后，根据下列两式求出CO、CH4的浓度。

CM

CM

S4：采集四组不同标准浓度C

采集四组不同标准浓度CH

M

S5：对步骤S4中的四组标准浓度C

根据泰勒展开公式

M＝f

其中，M表示计算得到的浓度结果，C表示标准气体的浓度，f

S6：利用步骤S5中得到的非线性修正模型，将步骤S3中计算得到的CH

S7：根据修正前的CH

由于此时计算得到的CO浓度误差主要来源于高浓度的CH

本发明利用非负最小二乘方法对微量CO和CH

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。