一种用于气体感测的免校准扫描波长调制光谱的方法技术

提供一种免校准扫描波长调制光谱(WMS)吸收感测的方法，通过使用1/-归一化WMS-2/j在传感器上获取气体样本的吸收谱线形状测量值，其中在频率^处调制至注入电流可调谐二极管激光器(TDL)的注入电流，其中对该TDL的波长调制以及强度调制同时发生；使用数字锁定程序和合适带宽的低通滤波器来提取WMS-《/(n＝1，2，……)信号，其中WMS-《/信号是f的谐波；根据这些WMS-《/信号的比值来确定该气体样本的p物理性质；且使用扫描波长WMS确定零吸收背景，并使用至少两个谐波确定非吸收损耗，其中，在碰撞谱线展宽混合跃迁线宽的环境下，从测量中去除了对于非吸收基线测量的需要，其中使得能够在不知道跃迁线宽的情况下进行免校准WMS测量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】提供一种免校准扫描波长调制光谱(WMS)吸收感测的方法，通过使用1/-归一化WMS-2/j在传感器上获取气体样本的吸收谱线形状测量值，其中在频率^处调制至注入电流可调谐二极管激光器(TDL)的注入电流，其中对该TDL的波长调制以及强度调制同时发生；使用数字锁定程序和合适带宽的低通滤波器来提取WMS-《/(n＝1，2，……)信号，其中WMS-《/信号是f的谐波；根据这些WMS-《/信号的比值来确定该气体样本的p物理性质；且使用扫描波长WMS确定零吸收背景，并使用至少两个谐波确定非吸收损耗，其中，在碰撞谱线展宽混合跃迁线宽的环境下，从测量中去除了对于非吸收基线测量的需要，其中使得能够在不知道跃迁线宽的情况下进行免校准WMS测量。【专利说明】
本专利技术总体上涉及使用波长调制光谱的用于对气体温度及组分浓度的非侵入式 激光吸收感测的方法和设备。更特定地，涉及改进的波长调制光谱技术，适合在具有大的非 吸收传输损耗的高压气体环境下的测量。
技术介绍
激光吸收提供了一种非侵入式方法，用于在气相系统中感测温度、压力、以及组分 浓度。波长调制光谱（WMS)是一种用于灵敏检测激光吸收的方法，一般通过在调制频率的 第二谐波（WMS_2f)处监测透射激光功率来执行波长调制光谱（WMS)。使用注入电流调制的 二极管激光器以调制频率的第一谐波（If)提供与激光功率成比例的信号。 数十年来，在各种实际应用中，已经使用波长调制光谱（WMS)执行了灵敏的可调 谐二极管激光器（TDL)吸收测量。随着通过激光波长调制策略获得的更好噪音抑制特性， 长期以来认为WMS是对于小值吸收的灵敏测量的选择方法，并且从而在痕量物质检测、伴 有显著噪音的测量、或以上两者时得到青睐。注入电流调制的TDL-WMS在具有光传输的显 著非吸收衰减的系统中很有吸引力，因为它可能通过一次谐波信号归一化在调制的偶次或 奇次谐波处的信号，以考虑激光强度的变化。 大部分早期TDL-WMS应用在大气压力开放路径中或是在相对低压（P〈2atm)容器 中，其中用于实现最强WMS信号的最佳调制深度在一般早期TDL调制范围内较小且可到达。 然而，为了实现较高压气体感测的最佳WMS条件，由于目标跃迁的碰撞宽度展宽，因此需要 较大的调制深度。基于通过傅立叶分析描述WMS-nf信号的之前的模型，演示了使用较大调 制深度在达l〇atm的压力下采用2f检测的TDL-WMS测量。在此，讨论了 If归一化的WMS-2f 概念，考虑到了注入电流调制的TDL的非理想调制特征。之后，其他人发开了 If归一化的 TDL-WMS测量的通用协议。该归一化方案使WMS测量不依赖激光强度、并且从而允许免校准 WMS测量、不需在吸收测量期间获得零吸收基线。该益处是重要的，因为在压力>10atm时跃 迁是高度混合的，一般难以在测量直接吸收（DA)基线的目标跃迁附近找到近零吸收区域。 此外，试验台测量表明，对于在高压下的非洛仑兹谱线形状效应，丽S测量比DA具有较小的 不确定性，诸如影响近似以及谱线混合的衰减。 为了满足对于环境有害排放的更多严苛标准以及增加能效，需要现场传感器以优 化下一代能源系统的性能。可调谐二极管激光器吸收光谱（TDLAS)为用于监测气体组分、 温度、压力和速度的现场、非侵入式、快速传感器提供了可能性。随着成熟、可靠、窄线宽波 长可调谐二极管激光器在过去二十年里出现，这样的吸收传感器从实验室测量过渡到严苛 的工业设施条件中使用。对于实际传感器出现了两种TDL吸收的方案，扫描波长直接吸收 (扫描DA)以及波长调制光谱（WMS)。 扫描DA最为经常被使用，因为其对于形式为温度和组分的气体性质的测量 到的吸收信号的简单说明，特别对于其中气体压力相对低的设施以及对于具有已定 (well-resolved)吸收跃迁的种类。然而，扫描DA测量需要确定零吸收基线，这对于高压 环境很难获得，在高压环境中碰撞展宽混合了邻近的零吸收跃迁且消除了激光扫描区域的 零吸收区域。如果非吸收传输损耗随时间变化，即，由气流床煤气化炉中的煤颗粒、流化床 反应器中的床颗粒、发电厂省煤出口或废物焚烧炉中的飞灰，引起的光束散射所造成，则其 (获得零吸收基线）可甚至更加具有挑战性。使用注入电流调制的二极管激光器的WMS提 供了由If信号归一化2f吸收信号以考虑随时间变化的非吸收损耗的可能性。这是可能的， 因为所有WMS谐波的信号与激光功率成比例，且伴随着诸如电流调制的激光强度调制消除 了光学薄情况的If信号。这种归一化能进行定量WMS吸收测量且不需要确定零吸收基线。 此外，对于以大于几个kHz的调制频率执行的WMS测量，检测到的谐波可与低频噪音隔开。 该WMS测量的带宽可通过低通滤波器调整，以平衡噪音以及期望的测量时间分辨率。这些 是在恶劣环境下的吸收测量中，WMS成为DA理想替代物的特征中的一些， 虽然WMS在噪音抑制方面相对于DA具有优势，且不需要知道零吸收基线，以前的 免校准丽S测量要求激光调制的实验室表征以及准确的光谱模型，包括碰撞展宽，以解释 来自测量到的WMS信号的绝对气体性质。虽然有模型模拟WMS光谱的大量文献，对于典型 的WMS模型，一般包含许多数学公式，可使WMS技术变得复杂。当对于明确的谱线形状函数 明确地表达分析WMS信号时，该模型变得甚至更为复杂。从而，已经通过假设简化了几乎所 有模型。例如，一些模型可仅用于其中强度调制不重要、调制深度小、或调制频率低的情况。 其他则仅当强度调制为线性时才精确，并可能不适用于其中强度调制中的非线性可能大的 外腔激光器，或是其中光学组件是波长依赖的系统中，诸如半导体光学放大器或通过来自 具有平行表面光学组件的校准器产生的传输中的干涉。这些复杂性以及局限性对于其中不 能仅用一个调制频率的傅里叶级数精确描述激光动力的扫描波长调制光谱甚至更为明显。 大部分免校准WMS方法要求准确估算碰撞展宽数据库，涉及预测一温度范围内所 选跃迁的展宽系数的大工作量。之后基于目标应用中每个展宽配对（partner)所测量到的 系数以及气体组分，来估算整体谱线形状。当无法精确知道气体组分时，该估算可具有较大 不确定性。 所需要的是统一的、准确的方法，来在调制频率的多谐波处确定丽S吸收谱线形 状光谱，用于提供适于高压、充满颗粒的环境内的传感器，例如，为了允许控制商用煤的气 化，其中在碰撞谱线展宽已经混合跃迁线宽的环境中的测量中去除了对于非吸收基线测量 的需要，其中能够不需要知道跃迁线宽进行免校准WMS测量。
技术实现思路
提供了一种免校准扫描波长调制光谱（WMS)吸收感测的方法，包括使用If-归一 化WMS-2f在传感器上获取气体样本的吸收谱线形状测量值，其中在频率f处调制至注入电 流可调谐的二极管激光器（TDL)的注入电流，其中同时发生对该TDL的波长调制以及对该 TDL的强度调制；使用在经核实编程的计算机上的数字锁定程序和具有合适带宽的低通滤 波器来提取WMS-nf (n = 1，2,……），其中这些WMS_nf信号是该f的谐波；根据这些WMS-nf 信号的比值（ratio)来确定该气体样本的物理性质；使用扫描波长本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种免校准扫描波长调制光谱(WMS)吸收感测的方法，包括：a.使用1f‑归一化的WMS‑2f在传感器上获得气体样本的吸收谱线形状测量值，其中在频率f处调制至注入电流可调谐的二极管激光器(TDL)的注入电流，其中对所述TDL的波长调制以及对所述TDL的强度调制同时发生；b.使用在经合适编程计算机上的数字锁定程序以及具有合适带宽的低通滤波器来提取WMS‑nf(n＝1，2，……)信号，其中所述WMS‑nf信号是所述f的谐波；c.根据所述WMS‑nf信号的比值来确定所述气体样本的物理性质；d.使用扫描波长WMS现场确定零吸收背景；并且e.使用至少两个所述谐波来确定非吸收损耗，其中在碰撞谱线展宽混合跃迁线宽的环境下，从测量中去除了对于非吸收基线测量的需要，其中能够在不知道所述迁跃线宽的情况下进行免校准WMS测量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·K·汉森，J·B·杰弗里斯，K·孙，R·苏尔，X·赵，
申请(专利权)人：小利兰·斯坦福大学托管委员会，
类型：发明
国别省市：美国;US