阅读说明：本技术 一种单光路浓度解调与自校正激光气体检测方法 (Single-light-path concentration demodulation and self-correction laser gas detection method ) 是由 郭清华 张书林 于庆 孙世岭 樊荣 槐利 郭江涛 李军 梁光清 张远征 赵庆川 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种单光路浓度解调与自校正激光气体检测方法,属于气体检测领域。该方法为：激光器产生检测光束；检测光束通过气体测量环境；检测光束进入密封定量参考气体的单一探测器或检测光束通过密封定量参考气体气室再进入单一探测器；光束进行光电转换并采集气体吸收信号和密封参考气体器件温度,并将采集信号送入核心处理器；提取激光器吸收波长中心和整体光路气体耦合吸收值；自动调节和线性校正；将测量环境气体吸收信号去耦解调；将气体浓度值进行显示和发送。本发明使用单一光路实现了对工矿环境气体浓度的精确测量和检测过程的线性自动校正,保证了测量系统的长期工作稳定性。(The invention relates to a single-light-path concentration demodulation and self-correction laser gas detection method, and belongs to the field of gas detection. The method comprises the following steps: the laser generates a detection beam; detecting the light beam passing through the gas measurement environment; the detection light beam enters a single detector of the sealed quantitative reference gas or enters the single detector through the sealed quantitative reference gas chamber; carrying out photoelectric conversion on the light beam, acquiring a gas absorption signal and the temperature of a sealed reference gas device, and sending the acquired signal to a core processor; extracting the gas coupling absorption value of the absorption wavelength center and the whole light path of the laser; automatic adjustment and linear correction; decoupling and demodulating the measurement environment gas absorption signal; and displaying and transmitting the gas concentration value. The invention uses a single light path to realize the accurate measurement of the gas concentration of the industrial and mining environment and the linear automatic correction of the detection process, thereby ensuring the long-term working stability of the measurement system.)

一种单光路浓度解调与自校正激光气体检测方法

技术领域

本发明属于气体检测领域，涉及一种单光路浓度解调与自校正激光气体检测方法。

背景技术

目前，在煤矿、石化等行业气体浓度检测过程中，可调谐半导体激光吸收光谱气体检测技术(TDLAS)得到了广泛应用，其测量精度高，具有检测快速、稳定性好的特点；激光气体检测方法采用波长调制光谱技术(WMS)来实现气体浓度的检测，该技术通过检测气体特征吸收光谱信号解析气体浓度，采用可调谐激光器作为检测光源，该方法可以实现煤矿井下CH₄、CO、O₂、CO₂、C₂H₂、C₂H₄等多种特征气体的检测。

目前采用的激光气体检测方法及检测装置，主要安装在工况条件较差的环境中，检测装置如果没有参考气室进行线性自校正，容易受到各种环境因素的影响而导致其性能发生改变，造成测量不准等现象的发生。目前，已有的采用分光技术结合参考气室的检测装置，至少需要两路独立的光路来分别实现测量光路气体浓度的独立测量功能和参考气室光路的激光器波长中心自动校正来实现线性校正功能；该方法虽然实现了检测装置的线性自校正保障了产品的长期稳定性，但需要至少两个探测进行同步检测，技术实现复杂、成本较高，同时产品光路结构复杂，不易高度集成化和进一步小型化。

为了将激光气体检测方法及检测装置进一步推向智慧化矿山、物联网建设等场景的应用，目前急需一种能够实现高度集成且成本低的单光路耦合密封参考气体的具备自动校正功能的激光气体检测装置，以保证气体测量装置的可靠性、稳定性及小型化。单光路方法通过测量光路中耦合密封定量低浓度参考气体，解决了环境高浓度气体耦合吸收曲线扭曲变形问题，又通过谐波算法实现了密封低浓度参考气体条件下，激光器波长中心的准确检测；再通过大量温度实验，建立了定量参考气体浓度在不同温度状态下的等效吸收浓度变化模型，实现了整体光路的浓度去耦高精度检测。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种单光路浓度解调与自校正激光气体检测方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种单光路浓度解调与自校正激光气体检测方法，该方法包括以下步骤：

S1：利用激光器产生检测光源，发出检测光束；

S2：检测光束通过气体测量环境；

S3：检测光束进入密封定量参考气体的单一探测器；

S3：将检测光束进行光电转换并采集气体吸收信号和密封参考气体器件温度，并将采集信号送入核心处理器；

S4：核心处理器将谐波信号解析和转化，并提取激光器吸收波长中心λ_c和整体光路气体耦合吸收值A_ω；

S5：核心处理器将λ_c与λ_θ进行对比，并根据标定中心值λ_θ进行中心自动回归调节和线性校正；

S6：核心处理器根据温度反演出密封浓度为C_R的参考气体等效吸收值A_ε，将整体耦合吸收值A_ω与Aε相减实现测量环境气体吸收信号A_C去耦解调，即A_C＝A_ω-Aε；

S7：核心处理器根据A_C值进行浓度反演，获得测量环境中的被测气体浓度值C，并将气体浓度值进行显示和发送。

可选的，所述S3中，检测光束通过密封定量参考气体气室再进入单一探测器。

可选的，所述检测光束不进行分光。

可选的，所述核心处理器为MCU。

可选的，所述MCU分别与显示电路、通信接口、声光报警模块、温度控制电路、激光器驱动电路和AD采集电路数据连接；

所述激光器驱动电路与DFB激光器连接；

所述温度控制电路与DFB激光器连接；

所述AD采集电路还分别与温度传感器电路和光电转换检测电路连接。

可选的，所述S7后，还包括：被测气体浓度值达到设定的阀值以后进行声光报警。

可选的，所述激光器是波长可调谐激光器。

本发明的有益效果在于：本发明不仅能够实现单一光路完成对工矿环境气体浓度的精确测量和检测过程的线性自动校正，保证了测量系统的长期工作稳定性，即减少了安全隐患，又减少了工作人员维护的次数；同时减少了光电探测器数量，既节省成本又节省空间，便于测量系统的高度集成化和小型化，适合面向物联网应用需求场景的推广使用。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本检测方法的流程图；

图2为激光光路结构一示意图；

图3为激光光路结构二示意图

图4为检测原理图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

图1为本检测方法的流程图，本发明包括以下步骤：

步骤一：利用激光器产生检测光源，激光器输出的单色光束作为检测光束；

步骤二：将步骤一中的检测光束通过气体测量环境；

步骤三：将检测光束进入密封定量参考气体的单一探测器或检测光束通过密封定量参考气体气室再进入单一探测器(如图2和图3所示)；

步骤四：将光束进行光电转换并采集气体吸收信号和密封参考气体器件温度，并将采集信号送入核心处理器；

步骤五：核心处理器将谐波信号解析和转化，并提取激光器吸收波长中心λ_c和整体光路气体耦合吸收值A_ω；

步骤六：核心处理器将λ_c与λ_θ进行对比，并根据标定中心值λ_θ进行中心自动回归调节和线性校正；

步骤七：核心处理器根据温度反演出密封浓度为C_R的参考气体等效吸收值A_ε，将整体耦合吸收值A_ω与Aε相减实现测量环境气体吸收信号A_C(即A_C＝A_ω-Aε)去耦解调；

步骤八：核心处理器根据A_C值进行浓度反演，获得测量环境中的被测气体浓度值C，并将气体浓度值进行显示和发送，并判断是否进行报警等，在本实施例中，核心处理器采用MCU，激光器采用DFB激光器。

图4为检测原理图。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。