单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置及方法，涉及环保技术领域。包括第一信号发生器、第二信号发生器、激光器、分束器、第一探测器、角反射镜、第二探测器、锁相放大器和信号采集处理模块；激光器经调制后输出激光射向探测器，探测器接收激光后将电信号传输至锁相放大器；锁相放大器将解调的二次谐波信号传输至信号采集处理模块。本发明专利技术通过利用非吸收段正弦波信号光强信息来测量颗粒物浓度，利用扫描非吸收段正弦波信号光强信息来消除颗粒物引起的光强变化对浓度测量的影响；通过单光束激光同时测量烟气颗粒物和气体浓度，减少了检测流程，降低了工业成本。

A device and method for measuring the concentration of gas particles and oxygen gas by a single beam laser

The invention discloses a device and a method for measuring the concentration of gas particles and oxygen gas by a single beam laser, which relates to the field of environmental protection. Including the first and second signal generators, a laser, a beam splitter, a first detector and a corner reflector, second detector, lock-in amplifier and signal processing module; laser modulated output laser light detector, laser detector will electric signal transmission to the lock-in amplifier; lock-in amplifier the demodulated two harmonic signal transmission to the signal acquisition and processing module. This invention uses non measuring particle concentration absorption section of sine wave signal intensity information by scanning non intensity absorption section of sine wave signal intensity information to eliminate particles caused by the concentration measurement by single beam laser; simultaneous measurement of smoke particles and gas concentration, reduce the detection process, reduce the industrial cost.

【技术实现步骤摘要】
单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置及方法
本专利技术属于环保
，特别是涉及单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置及方法。
技术介绍
随着我国工业的快速发展，火力发电厂、水泥厂、工业锅炉和采暖锅炉等工业排放的颗粒物和烟气污染物对自然环境造成了严重的污染，是造成环境污染的主要因素，想要监控工业废气和颗粒物的排放总量，就必须要对其进行连续监控。传统的工业废气和颗粒物的监控都是采用独立的监测仪器分布对工业废气和颗粒物进行测量，增加了工业成本。并且，测量烟气浓度时，由于烟气颗粒物的存在，造成通过烟气的激光强度起伏，解调的二次谐波信号正比于光强，因此要准确测量烟气中气体的浓度，就必须要消除光强起伏的影响目前国际上消除光强影响的方法主要采用二次谐波信号与一次谐波信号残余振幅的比来消除，由于解调二次谐波信号和一次谐波信号采用不同的锁相放大器，二块锁相放大器的相位等信息并不一致，而遥感探测技术在实际应用中距离是变化的，这就造成相位也会有一定的改变，这些都会造成利用二次谐波信号与一次谐波信号残余振幅的比来消除光强起伏的影响存在很大的误差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置及方法，通过利用非吸收段正弦波信号光强信息来测量颗粒物浓度，利用扫描非吸收段正弦波信号光强信息来消除颗粒物引起的光强变化对浓度测量的影响；通过单光束激光同时测量烟气颗粒物和气体浓度，减少了检测流程，降低了工业成本。为解决上述技术问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术为单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置，包括第一信号发生器、第二信号发生器、激光器、分束器、第一探测器、角反射镜、第二探测器、锁相放大器和信号采集处理模块；所述第一信号发生器与第二信号发生器产生信号经加法器叠加运输后传输至激光控制器；所述激光控制器控制激光器产生激光；其中，所述第二信号发生器产生的信号同时经过倍频电路倍频后传输至锁相放大器作为解调参考信号；所述激光器经调制后输出激光经分束器分为两束，一束激光射向第一探测器直接探测，并将电信号传输至信号采集处理模块；另一束激光经准直器准直后射向烟气区域；所述角反射镜安装在烟气区域另一端，所述角反射镜将射向烟气区域的激光反射至所述第二探测器；所述第二探测器接收反射的激光后将电信号传输至锁相放大器；所述锁相放大器将解调的二次谐波信号传输至信号采集处理模块。进一步地，所述第一信号发生器产生锯齿波信号；所述第二信号发生器产生正弦波信号。进一步地，所述激光控制器控制激光器产生激光的波长工作在待测气体的吸收峰位置。进一步地，所述激光器采用DFB激光器。进一步地，所述信号采集处理模块采用微处理器。单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的方法，包括烟气颗粒物测量和气体浓度测量；烟气颗粒物测量：通过第二探测器监测非吸收段正弦波信号光强信息来测量颗粒物浓度；包括以下步骤：第一步：计算光密度D值根据Lambert-Beer定律，接收到的光强I(λ)和发射光强I0(λ)之比的关系式为：I(λ)＝I0(λ)exp(-αL)L为激光穿过烟气的光程，α是常数，α是由颗粒直径、波长和吸光度确定；激光测尘仪的基本原理为：I(λ)＝I0(λ)×10-D其中，D为光密度；第二步：将D值换算成浓度值；根据颗粒物的分布模型假设烟尘颗粒相同，直径为d，密度为ρ，将上述两个公式相结合，经过推导，得出浓度和D值之间的关系：常数K又叫吸光系数，包含有波长信息；当颗粒直径等于或大于波长(0.2μm)时，K采用常数2，浓度与D值的关系变为下式：其中，M为烟尘浓度，单位为g/m3；d为烟尘粒径，单位为μm；ρ为烟尘密度，单位为g/dm3；L为光程，单位为m；气体浓度测量：第一步：消除光强起伏的影响所述信号采集处理模块根据第一探测器探测的信号，提取非吸收段加载在锯齿波上的低频正弦波信号；其中，二次谐波信号的强度为峰值与基线之间的差值P2f，提取非吸收段加载在锯齿波上的低频正弦波信号Psin；P2f＝k1·Sdcα0·2CPsin＝k2·SdcSdc是激光强度信息的直流分量，K1、K2是常数，α0是气体分子的吸收系数；第二步：计算气体浓度将上述公式带入下式中计算气体浓度；K为常数，C为气体浓度。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术通过利用非吸收段正弦波信号光强信息来测量颗粒物浓度，并利用扫描非吸收段正弦波信号光强信息来消除颗粒物引起的光强变化对浓度测量的影响；通过单光束激光同时测量烟气颗粒物和气体浓度，减少了检测流程，降低了工业成本。当然，实施本专利技术的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置的示意图；图2为激光回光强度随激光频率的变化关系图附图中，各标号所代表的部件列表如下：1-第一信号发生器，2-第二信号发生器，3-加法器，4-激光控制器，5-激光器，6-分束器，7-准直器，8-第一探测器，9-烟气区域，10-角反射镜，11-第二探测器，12-锁相放大器，13-倍频电路，14-信号采集处理模块。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。请参阅图1所示，本专利技术为单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置，包括第一信号发生器1、第二信号发生器2、激光器5、分束器6、第一探测器8、角反射镜10、第二探测器11、锁相放大器12和信号采集处理模块14；第一信号发生器1与第二信号发生器2产生信号经加法器3叠加运输后传输至激光控制器4；激光控制器4控制激光器5产生激光；其中，第二信号发生器2产生的信号同时经过倍频电路13倍频后传输至锁相放大器12作为解调参考信号；激光器5经调制后输出激光经分束器6分为两束，一束激光射向第一探测器8直接探测，并将电信号传输至信号采集处理模块14；另一束激光经准直器7准直后射向烟气区域9；角反射镜10安装在烟气区域9另一端，角反射镜10将射向烟气区域9的激光反射至第二探测器11；第二探测器11接收反射的激光后将电信号传输至锁相放大器12；锁相放大器12将解调的二次谐波信号传输至信号采集处理模块14。其中，第一信号发生器1产生锯齿波信号；第二信号发生器2产生正弦波信号。其中，激光控制器4控制激光器5产生激光的波长工作在待测气体的吸收峰位置；激光器5采用760nmDFB激光器；信号采集处理模块14采用微处理器。其中，第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置，其特征在于，包括：第一信号发生器(1)、第二信号发生器(2)、激光器(5)、分束器(6)、第一探测器(8)、角反射镜(10)、第二探测器(11)、锁相放大器(12)和信号采集处理模块(14)；所述第一信号发生器(1)与第二信号发生器(2)产生信号经加法器(3)叠加运输后传输至激光控制器(4)；所述激光控制器(4)控制激光器(5)产生激光；其中，所述第二信号发生器(2)产生的信号同时经过倍频电路(13)倍频后传输至锁相放大器(12)作为解调参考信号；所述激光器(5)经调制后输出激光经分束器(6)分为两束，一束激光射向第一探测器(8)直接探测，并将电信号传输至信号采集处理模块(14)；另一束激光经准直器(7)准直后射向烟气区域(9)；所述角反射镜(10)安装在烟气区域(9)另一端，所述角反射镜(10)将射向烟气区域(9)的激光反射至所述第二探测器(11)；所述第二探测器(11)接收反射的激光后将电信号传输至锁相放大器(12)；所述锁相放大器(12)将解调的二次谐波信号传输至信号采集处理模块(14)。

【技术特征摘要】
1.单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置，其特征在于，包括：第一信号发生器(1)、第二信号发生器(2)、激光器(5)、分束器(6)、第一探测器(8)、角反射镜(10)、第二探测器(11)、锁相放大器(12)和信号采集处理模块(14)；所述第一信号发生器(1)与第二信号发生器(2)产生信号经加法器(3)叠加运输后传输至激光控制器(4)；所述激光控制器(4)控制激光器(5)产生激光；其中，所述第二信号发生器(2)产生的信号同时经过倍频电路(13)倍频后传输至锁相放大器(12)作为解调参考信号；所述激光器(5)经调制后输出激光经分束器(6)分为两束，一束激光射向第一探测器(8)直接探测，并将电信号传输至信号采集处理模块(14)；另一束激光经准直器(7)准直后射向烟气区域(9)；所述角反射镜(10)安装在烟气区域(9)另一端，所述角反射镜(10)将射向烟气区域(9)的激光反射至所述第二探测器(11)；所述第二探测器(11)接收反射的激光后将电信号传输至锁相放大器(12)；所述锁相放大器(12)将解调的二次谐波信号传输至信号采集处理模块(14)。2.根据权利要求1所述的单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置，其特征在于，所述第一信号发生器(1)产生锯齿波信号；所述第二信号发生器(2)产生正弦波信号。3.根据权利要求1所述的单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置，其特征在于，所述激光控制器(4)控制激光器5产生激光的波长工作在待测气体的吸收峰位置。4.根据权利要求1所述的单光束激光测量烟气颗粒物及氧气气体浓度的装置，其特征在于，所述激光器(5)采用760nmDFB激光器。5.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：章月法，李红军，刘国举，
申请(专利权)人：合肥朗伯光电传感技术有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34