[发明专利]一种高温水汽激光光谱在线检测系统

说明书

技术领域

本发明属于一种激光气体在线检测方法与仪器，具体是一种针对工业过程高温微量水汽的红外半导体激光光谱测量方法与仪器。

背景技术

水汽是工业过程一种常见的与燃烧过程相联系的气体，水汽浓度也是工业过程优化、工艺流程控制，以及产品质量保证的重要参数，针对工业过程高温水汽的精确测量在工业领域有着重要意义和广泛应用需求。传统水汽测量方法主要有电解法、阻容法、冷镜法等三种类型，基于这些方法的水汽测量仪器在常规环境中得到很好应用，但工业过程具有高温、高粉尘、腐蚀性等特点，使得传统水汽测量仪器在测量精度、使用寿命和环境适应性方面与实际工业应用需求尚存在一定差距，难以满足工业过程复杂环境下微量水汽在线连续监测的要求。近些年来，随着红外和激光技术的快速发展，基于气体红外吸收的光谱检测技术已经成为环境及工业过程痕量气体有效检测手段，特别是使用光通讯半导体激光器作为光源的红外半导体激光光谱检测技术，其具有的非接触、高灵敏、高分辨特点，使其在工业过程气体在线检测领域具有极大的吸引力。由于水汽分子在近红外光谱区有着典型的强吸收特征，可以实现水汽浓度的高灵敏、高分辨在线检测。因此，基于红外半导体激光光谱法的水汽检测方法与仪器在工业过程高温水汽检测领域有着显著应用前景。

红外半导体激光光谱检测技术是基于气体分子对红外光谱的指纹吸收特性，利用目标气体分子的特征光谱吸收实现对气体的定性和定量检测。在对痕量气体检测中，红外半导体激光技术可以实现低于ppm级的气体测量灵敏度。但红外激光光谱气体检测技术还会受到各种环境因素的影响，针对工业过程复杂环境的水汽红外半导体激光光谱检测方法在消除环境干扰方面有待进一步提升。

发明内容

本发明提出一种针对工业过程高温水汽的红外半导体激光光谱在线检测方法和系统，能够实现工业过程中高温水汽的温度和浓度的自动同时监测测量。

本发明采用的技术方案如下：

一种高温水汽激光光谱在线检测系统，包括中心波长1397nm的近红外DFB半导体激光器，激光器控制模块、信号发生器，还包括1×2光纤分束器、红外光电探测器、低通滤波放大器、数据采集和处理模块、液晶显示屏以及参考吸收池、发射端和反射端，所述发射端和反射端之间为检测区域，其特征在于：通过所述激光器控制模块控制近红外DFB半导体激光器输出波长λ₀激光，并调谐波长λ₀到水汽的两条相邻吸收线1397.750nm和1397.673nm中间附近，采用1×2光纤分束器将该波长λ₀的激光分成光束一和光束二，分别作用于参考吸收池和检测区域构成参考光路和检测光路，所述信号发生器产生的100Hz锯齿波信号叠加在该近红外DFB半导体激光器上并通过调整该锯齿波信号幅值上使波长λ₀的激光在参考光路和检测光路上连续扫描水汽的1397.750nm和1397.673nm吸收光谱，扫描光谱信号被红外光电探测器接收并传输至数据采集和处理模块，所述数据采集和处理模块采用基于双光路的光谱数字对齐方法、背景信号拟合与光谱归一化处理以及光谱线强的实时温度修正方法处理扫描光谱信号最终实现水汽的温度和浓度的实时监测并在液晶显示屏上显示。

所述的数据采集和处理模块采集和处理扫描光谱信号的过程如下：

(1)、记参考光路的扫描光谱数据为参考吸收光谱序列D_R(n)，记检测光路的扫描光谱数据为检测吸收光谱序列D_o(n)；

(2)、进行参考吸收光谱序列D_R(n)和检测吸收光谱序列D_o(n)的对齐处理：取检测吸收光谱序列D_o(n)中谱线1397.750nm中心位置作为峰值参考位置n₀；对参考吸收光谱序列D_R(n)和检测吸收光谱序列D_o(n)进行同步检测，并对参考吸收光谱序列D_R(n)中谱线1397.750nm峰值寻峰并比较中心位置与参考位置n₀的偏移△n，获得检测吸收光谱序列中峰值参考位置n₀发生的偏移数据点数△n，将对应的检测吸收光谱序列D_o(n)向相反方向进行频移消除检测吸收光谱D_o(n)漂移，然后再进行累加平均处理；数据处理过程可以表示为：