一种光谱仪波长漂移引起的测量误差实时补偿方法技术

本发明专利技术设计一种光谱仪波长漂移引起的测量误差的实时补偿方法，该方法利用被测气体的实时测量光谱数据以及实验室测得的被测气体吸收截面数据库，计算光谱仪波长漂移量；并计算对应波长漂移量的波长平移后的被测气体吸收截面与被测气体吸光度用于计算被测气体浓度，实时消除由于波长漂移带来的测量误差。

【技术实现步骤摘要】
一种光谱仪波长漂移引起的测量误差实时补偿方法
本专利技术涉及一种光谱仪波长漂移引起的测量误差的实时补偿方法。技术背景光谱仪是以光电探测器检测谱线对应波长位置及强度的装置，是紫外差分吸收光谱技术等光谱吸收技术仪器的核心部件。随着国家对烟气排放标准的不断提高，现有的红外分析仪器和常规的紫外差分吸收光谱技术已经很难满足烟气分析的低检测限、高灵敏度和高分辨率等要求，这对长时间连续运行情况下紫外差分吸收光谱分析仪器核心部件—光谱仪的波长稳定性提出了更高的要求。另外，现场一般均伴随有不同强度的振动和环境温度的变化，这种机械振动和环境温度变化都会导致光谱仪的波长漂移，进而会造成仪器测量数据的偏差。因此如何实时消除波长漂移导致的测量误差，是进一步提升仪器性能的重要环节。然而，光谱仪均没有自动校准波长的功能，且光谱仪厂商提供的波长校准方法是通过汞灯或其他特征光源对光谱仪进行校准，这些方法均较为繁琐，需要将光谱仪拆出，但一旦拆出分析仪就停止工作，这对于连续监测仪器是不允许的。另外，拆出光谱仪就涉及到重装光谱仪，对于连续监测仪器，一旦涉及到零件的重装，就有可能导致原先的系统校准不再适用于重装后的系统，这对于系统维护人员是一个很大的工作量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种在线实时校准光谱仪的方法，可大幅降低由于光谱仪波长漂移所导致的仪器不稳定，在同样的波长漂移情况下，实时校准光谱仪后的测量值偏移大幅降低，大大提升了仪器的测量精度。本专利技术的技术方案如下：本专利技术用光谱仪测量通过被测气体的测量光，根据光谱仪测量数据，首先得到光谱仪漂移量，然后对被测气体的吸收特征数据库做相同漂移，最终用漂移后的吸收特征数据库进行测量，实现对测量数据的实时校准。本专利技术一种光谱仪波长漂移引起的测量误差实时补偿方法，其流程图如图4所示，方法步骤如下：步骤一：光谱数据去噪通入被测气体，光谱仪开始测量，取10次光谱仪测量数据进行平均，得到平均后的测量光光谱数据I1；在通氮气情况下，再取10次光谱仪测量数据进行平均，得到无吸收时的参考光光谱数据I0；步骤二：提取被测气体的吸光度根据lambert定律，针对被测气体，从I1中提取对应有吸收的波长段λ1～λ2的被测气体测量光数据I11，从I0中提取对应波长段λ1～λ2被测气体参考光数据I01，按照公式(一)计算被测气体的吸光度x，其中λ1＜λ2；x＝-10*lg(I11/I01)(一)x是一个由个数组成的一维数组；步骤三：波长平移量Δλ对应的被测气体吸收截面和相应数据长度的被测气体吸光度的计算方法被测气体吸收截面数据为全波段(190nm～400nm)的，每隔0.1nm一个数据，截取其中波长λ1到λ2(λ1＜λ2)，一共个点，通过样条插值的方法得到每隔0.01nm一个数据，得到共个点，假设所得到的个点所组成的一维数组为δ；假设：定义波长平移量为Δλ，等于测量光谱中测得的波长减真实波长；定义数组定义一个数组N1和一个数字n1：如果Δλ＜0，其中n1＝ceil(abs(Δλ/0.1))；如果Δλ＝0，如果Δλ＞0，其中n1＝ceil(abs(Δλ/0.1))；根据数组N1计算得到波长平移量Δλ对应的被测气体吸收截面和被测气体吸光度其中，δ(N(N1))和x(N1)按照以下运算规则进行计算：假设有两个数组A和B，A和B分别有nA和nB个元素，且nB≤nA，当j＞i时，A(j)＞A(i)且B(j)＞B(i)，定义一种运算如下：A(B)＝[A(B(1))A(B(2))…A(B(nB))]计算所得A(B)为一个一维数组；步骤四：计算光谱仪波长漂移量令Δλ＝-0.3nm，按照步骤三计算得到和之后按照公式(二)计算和的相关系数其中，为X的平均值，为Y的平均值，Yi为数组Y的第i个元素，Xi为数组X的第i个元素，n为数组X和Y的元素个数；(二)波长平移量Δλ以0.01nm为间隔，波长平移量范围从Δλ1(Δλ1＝-0.3nm)变化到Δλ2(Δλ2＝0.3nm)分别计算对应的相关系数，得到相关系数R-0.3nm～R0.3nm；用于计算相关系数的波长平移量范围是根据光谱仪的漂移情况来设定的，针对不同型号的光谱仪，可进行修改，本专利中是按照实验所用光谱仪最小分辨率的4倍来进行设定的；比较得到相关系数最大值R*，判断R*是否大于相关系数阈值R阈；(R阈为事先设定好的，所测气体浓度大于100ppm时，R阈＝0.9；所测气体浓度大于50ppm时，R阈＝0.8；所测气体浓度小于50ppm时，R阈＝0.6)如果R*＞R阈，则R*对应的波长平移量Δλ为光谱仪的波长漂移量如果0.3＜R*＜R阈，增大波长平移量范围，Δλ1减小0.1nm，Δλ2增大0.1nm，重复步骤四；如果R*＜0.3，光谱仪漂移量过大或实际气体中不包含被测气体，报错；步骤五：采用光谱仪波长漂移量所对应的被测气体吸收截面和相应的被测气体吸光度计算被测气体浓度C根据步骤四确定的光谱仪波长漂移量确定所对应的被测气体吸收截面和相应的被测气体吸光度假设被测气体浓度为C，且和均为列矩阵，采用最小二乘法(即公式三)计算被测气体浓度，其中和分别是和的转置矩阵，即为补偿后被测气体浓度：(三)本专利技术相比现有技术具有如下优点：本专利技术的在线实时校准光谱仪的方法，可大幅降低由于光谱仪波长漂移所导致的仪器不稳定，在同样的波长漂移情况下，实时校准光谱仪后的测量值，大大提升了仪器的测量精度，很好的解决由于波长漂移带来的测量不准确问题。附图说明图1为NO吸收截面的波长漂移示意图。图2为存在波长漂移的NO吸光度与NO吸收截面对比图。图3为波长平移量Δ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光谱仪波长漂移引起的测量误差的实时补偿方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：光谱数据去噪通入被测气体，光谱仪开始测量，取光谱仪测量数据平均值，计为测量光光谱数据I1；在通氮气情况下，再取光谱仪测量数据平均值，计为无吸收时的参考光光谱数据I0；步骤二：提取被测气体的吸光度根据lambert定律，针对被测气体，从I1中提取对应有吸收的波长段λ1～λ2的被测气体测量光数据组I11，从I0中提取对应波长段λ1～λ2被测气体参考光数据组I01，按照公式(一)计算被测气体的吸光度x，其中λ1＜λ2；x＝‑10*lg(I11/I01)        (一)x是一个由个数组成的一维数组；步骤三：波长平移量Δλ对应的被测气体吸收截面和相应数据长度的被测气体吸光度的计算方法被测气体吸收截面数据为全波段(190nm～400nm)的，每隔0.1nm一个数据，截取其中波长λ1到λ2(λ1＜λ2)的数据，一共个点，通过样条插值的方法得到每隔0.01nm一个数据，得到共个点，假设所得到的个点所组成的一维数组为δ；假设：定义数组N=1+Δλ0.0111+Δ&lambda;0.01···λ2-λ10.01+1+Δλ0.01;]]>定义一个数组N1和一个数字n1：如果Δλ＜0，N1=1+n12+n1···λ2-λ10.1+1,]]>其中n1＝ceil(abs(Δλ/0.1))；如果Δλ＝0，N1=12···λ2-λ10.1+1;]]>如果Δλ＞0，N1=12···λ2-λ10.1+1-n1,]]>其中n1＝ceil(abs(Δλ/0.1))；根据数组N1计算得到波长平移量Δλ对应的被测气体吸收截面和被测气体吸光度yΔλ=δ(N(N1))]]>xΔλ=x(N1)]]>其中，δ(N(N1))和x(N1)按照以下运算规则进行计算：假设有两个数组A和B，A和B分别有nA和nB个元素，且nB≤nA，当j＞i时，A(j)＞A(i)且B(j)＞B(i)，定义一种运算如下：A(B)＝[A(B(1))A(B(2))…A(B(nB))]计算所得A(B)为一个一维数组；步骤四：计算光谱仪波长漂移量根据光谱仪最小分辨率确定波长平移量范围Δλ1～Δλ2(Δλ1<Δλ2)，再按照步骤三计算得到和的范围值，之后按照公式(二)计算和的相关系数得到RΔλ1～RΔλ2；式二中，为X的平均值，为Y的平均值，Yi为数组Y的第i个元素，Xi为数组X的第i个元素，n为数组X和Y的元素个数；RΔλ=Σi=1n(Xi-X‾)(Yi-Y‾)Σi=1n(Xi-X‾)2·(Yi-Y‾)2]]>       (二)比较得到相关系数RΔλ1～RΔλ2的最大值R*，判断R*是否大于相关系数阈值R阈；如果R*＞R阈，则R*对应的波长平移量Δλ为光谱仪的波长漂移量如果0.3＜R*＜R阈，增大波长平移量范围，Δλ1减小0.1nm，Δλ2增大0.1nm，重复步骤四；如果R*＜0.3，光谱仪漂移量过大或实际气体中不包含被测气体，报错；步骤五：采用光谱仪波长漂移量所对应的被测气体吸收截面和相应的被测气体吸光度计算被测气体浓度C根据步骤四确定的光谱仪波长漂移量确定所对应的被测气体吸收截面和相应的被测气体吸光度假设被测气体浓度为C，且和均为列矩阵，采用最小二乘法(即公式三)计算被测气体浓度，其中和分别是和的转置矩阵，即为补偿后被测气体浓度：C=xΔλ*′·yΔλ*/yΔλ*′·yΔλ*.]]>     (三)...

【技术特征摘要】
1.一种光谱仪波长漂移引起的测量误差的实时补偿方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：光谱数据去噪通入被测气体，光谱仪开始测量，取光谱仪测量数据平均值，计为测量光光谱数据I1；在通氮气情况下，再取光谱仪测量数据平均值，计为无吸收时的参考光光谱数据I0；步骤二：提取被测气体的吸光度根据lambert定律，针对被测气体，从I1中提取对应有吸收的波长段λ1～λ2的被测气体测量光数据组I11，从I0中提取对应波长段λ1～λ2被测气体参考光数据组I01，按照公式(一)计算被测气体的吸光度x，其中λ1<λ2；x是一个由个数组成的一维数组；步骤三：根据数组N1计算得到波长平移量△λ对应的被测气体吸收截面和被测气体相应数据长度的被测气体吸光度被测气体吸收截面数据为全波段(190nm～400nm)的，每隔0.1nm一个数据，截取其中波长λ1到λ2(λ1<λ2)的数据，一共个点，通过样条插值的方法得到每隔0.01nm一个数据，得到共个点，假设所得到的个点所组成的一维数组为δ；假设：定义数组定义一个数组N1和一个数字n1：如果△λ<0，其中n1＝ceil(abs(△λ/0.1))；如果△λ＝0，如果△λ>0，其中n1＝ceil(abs(△λ/0.1))；根据数组N1计算得到波长平移量△λ对应的被测气体吸收截面和被测气体吸光度其中，δ(N(N1))和x(N1)按照以下运算规则进行计算：假设有两个数组A和B，A和B分别有nA和nB个元素，且nB≤nA，当j>i时，A(j)>A(i)且B(j)>B(i)，定...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤光华，韩少鹏，武善磊，林正根，苗丰，杨剑，孔红兵，彭樟，李利，刘璐，
申请(专利权)人：南京国电环保科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32