[发明专利]一种烟道氨浓度激光在线检测系统

摘要

本发明涉及一种烟道氨浓度激光在线检测系统，该激光在线检测系统包括发射光学探头、接收光学探头、温压一体传感器和可调谐半导体激光吸收光谱检测装置；其中所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置将所接收的光谱信号采用改进的随机并行梯度下降法进行迭代循环计算，从而得到每一循环目标函数ytx的最优解，然后以该最优解进行浓度反演，计算出烟道中氨气的浓度。本系统可抑制光谱信号噪声，改善激光传输质量，显著提高烟道中氨气浓度的检测精度。

主权项

1.一种烟道氨浓度激光在线检测系统，该激光在线检测系统包括温压一体传感器、可调谐半导体激光吸收光谱检测装置和相对安装在烟道的左右两侧的发射光学探头与接收光学探头，其中所述的可调谐半导体激光吸收光谱检测装置包括半导体激光器、激光器控制器、扫描信号电路、分束器、标准吸收池、第二探测器、变形镜控制单元、比较放大电路和数据采集处理器；其特征在于，所述的发射光学探头包括具有窗口镜的圆柱形的保护筒，该保护筒内相对设有倾斜安装的反射式变形镜、支承该反射式变形镜的支座和激光准直器；其中，所述窗口镜的中心线经过所述反射式变形镜的反射镜面中心；所述的激光准直器由三维调整架支承在所述保护筒的侧壁上，且其发射端的中心线也经过所述反射式变形镜的反射镜面的中心；所述扫描信号电路产生的扫描信号接入激光器控制器，控制半导体激光器输出中心波长为氨气红外吸收波长的激光，该激光由分束器分成检测光和参考光；其中，所述的检测光射入发射光学探头内先准直再由所述反射式变形镜变形后射出，然后经过烟道到达接收光学探头内，由接收光学探头内的第一探测器转换成电信号送入比较放大电路的正向输入端；所述的参考光经标准吸收池后由第二探测器转换成电信号送入比较放大电路的反向输入端；所述的检测光和参考光所转换成电信号经比较放大电路比较放大后输出光谱信号接入所述变形镜控制单元，该变形镜控制单元将所接收的光谱信号采用随机并行梯度下降法进行计算，得到目标函数最优解和该最优解所对应的驱动电压；其中，所述的最优解送入数据采集处理器进行浓度反演，计算出烟道中氨气的浓度；所述的驱动电压送至所述反射式变形镜的压电致动器，控制反射式变形镜的镜面形状；其中所述的随机并行梯度下降法包括以下步骤：(1)启动所述的激光在线检测系统后，所述的变形镜控制单元建立如下式(Ⅰ)所示的光谱信号强度的目标函数ytx和如下式(Ⅱ)迭代运算表达式：ytx＝f(v)＝f[(v1,v2,v3,......,vm)]    (Ⅰ)vn＝knΔvnΔytxn    (Ⅱ)上式(Ⅰ)中，m为反射式变形镜的压电致动器的序号，v＝(v1,v2,v3,.....,vm)，v1～vm分别为反射式变形镜的相应压电致动器的驱动电压；上式(Ⅱ)中，n为迭代次数，vn＝(v1n,v2n,v3n,......,vmn)，Δvn为所述压电致动器驱动电压的随机扰动变量，Δytxn为比较放大电路所输出的光谱信号强度的随机扰动变量，kn为放大倍数并由下式(Ⅲ)计算得到：kn＝qkn‑1    (Ⅲ)上式(Ⅲ)中，q＝0.91；(2)所述的变形镜控制单元接收到比较放大电路输出的光谱信号后，按以下步骤对上式(Ⅱ)进行迭代运算：(2.1)当n＝1时，设置：kn＝1.2，Δvn＝0.5V，Δytxn＝1000mV，按公式(Ⅱ)计算vn并输出，得到本次迭代的光谱信号强度ytxn，完成第一次迭代；(2.2)当n≥2时，每一步都先对上一步比较放大电路输出的光谱信号的强度变化趋势进行如下判断：如果前一次迭代的光谱信号强度随机扰动变量Δytxn‑1＜0，则令Δvn＝‑0.5V，并按公式(Ⅱ)计算vn并输出，得到本次迭代的光谱信号强度ytxn，然后进入下一步迭代运算；如果前一次迭代的光谱信号强度随机扰动变量Δytxn‑1≥0，先按公式(Ⅲ)计算kn值，再按公式(Ⅱ)计算出vn并输出，得到本次迭代的光谱信号强度ytxn，然后进入下一步迭代运算；(2.3)按步骤(2.2)逐步进行迭代运算至预设的迭代次数后，选择目标函数ytx的最大值作最优解送入数据采集处理器，同时将该最优解所对应的驱动电压送至所述反射式变形镜相应的压电致动器，完成第一个迭代循环；(3)循环执行步骤(2.2)和(2.3)，直至所述的激光在线检测系统关闭。