[发明专利]基于一次谐波对数处理的气体浓度检测方法

权利要求书

1.一种基于一次谐波对数处理的气体浓度检测方法，由以下检测系统来实现，该系统包括可调谐半导体激光器、光源控制模块、信号发生器、锁相放大器、气室、光电探测器、数据采集及处理模块，其中信号发生器连接到光源控制模块的输入端，以驱动其工作，光源控制模块的输出端连接可调谐半导体激光器，以实现对其进行扫描和调制；可调谐半导体激光器通过光纤与气室输入端相连，气室的输出端由光纤相连到光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接到锁相放大器的输入端，锁相放大器的另一输入端连接信号发生器，以获取参考信号，进而提取谐波信号，锁相放大器的输出端连接到数据采集及处理模块，该方法的具体步骤如下：

1)连接好检测系统，向气室中通入待测气体，根据所测气体的种类，查阅光谱数据库，选择待测气体的吸收光谱谱线，其中心频率为ν₀,选用对应于被测气体吸收谱线中心频率ν₀的可调谐半导体激光器作为光源，通过光源控制模块，调节可调谐半导体激光器的电流和温度，使其输出频率稳定在中心频率ν₀附近；

2)将信号发生器产生的低频扫描波和高频正弦波叠加后送入光源控制模块，用来驱动激光器在谱线中心频率ν₀附近进行扫描和调制，可调谐半导体激光器的瞬时频率ν和瞬时强度I₀表示为：

其中，和分别为扫描的平均频率和平均光强，a为频率调制幅度，△I为强度调制幅度，η为频率调制与电流调制之间的相位差，ψ为频率调制与强度调制之间的相位差；

光信号经气室后，根据比尔郎伯定律，待测气体的吸光度表示为：

其中T，P分别代表温度和压强，S_j(T)为吸收谱线的线强函数，Φ_j为线型函数，C为待测气体浓度，L代表有效吸收长度，根据归一化条件，对公式(2)两边积分，则待测气体浓度表示为：

3)定义τ(ν)为τ(ν)是与ωt相关的周期函数，则经过待测气体吸收后，气室输出端的光信号可以表示为傅里叶展开的形式，即：

H_k为k阶傅立叶系数，进一步表示为：

经过吸收后的光信号围绕作泰勒展开，τ(ν)可以表示为：

4)信号发生器为锁相放大器提供的参考信号表示为：

其中，R_X和R_Y是用于提取一次谐波的X分量和Y分量所给的两路不同的参考信号，β为参考信号的相位变化；

经锁相放大器提取到的一次谐波的X分量和Y分量分别表示为：

其中，G为系统的光电增益系数；

当气室中未通入待测气体时，没有气体吸收产生，此时背景信号表示为：

使用背景信号进行归一化后，得到：

5)将步骤3)中得到的泰勒展开后的τ(ν)代入到谐波系数H_k中，得到：

在频率调制幅度足够小即a＜0.25的情况下，可以近似为0，则有

在数据采集及处理模块进行归一化后，对进行对数处理，得到：

将上式代入步骤2)中待测气体的浓度公式中：

经数据采集及处理模块进行计算，得到待测气体的浓度C。