基于光谱能量密度的气体浓度检测方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于光谱能量密度的气体浓度检测系统及方法，该方法包括步骤：利用纳米线光谱探测器阵列吸收经过待测气体后的红外光线，探测得到每根光谱的能量变化值；基于探测出的光谱能量变化值，计算出每根光谱对应的气体浓度；判断计算出的单根光谱对应的气体浓度值中是否存在异常值，若存在则直接剔除该异常值，然后求取平均值，该平均值即为待测气体的浓度值。本发明专利技术方法及系统是探测出每根光谱能量变化值，然后基于每根光谱能量变化值计算气体浓度，可以消除其他气体的影响，提高检测结果的准确性。

Gas concentration detection method and system based on spectral energy density

【技术实现步骤摘要】
基于光谱能量密度的气体浓度检测方法及系统
本专利技术涉及气体检测
，特别涉及一种基于光谱能量密度的气体浓度检测方法及系统。
技术介绍
气体浓度监测具有多方面的应用，例如，通过监测有害气体浓度可以避免安全事故发生，又例如通过检测气体浓度可以实现燃气流量统计。目前，在气体浓度检测的应用中，都是基于能量密度计算气体浓度，然而基于能量密度的计算结果的准确性不够高。气体的吸收谱是离散的谱线值，以CH4在3.3μm的特征谱为例，参考图1，其中实线表示的是CH4的特征谱，可以看出其是一组由分离的、吸收强度不等特征谱线组成，虚线表示的是现有方法中的滤光片透射曲线，覆盖了部分特征谱线，但是无法区分单根谱线(受限于现有镀膜工艺技术)，目前基于能量密度计算就是基于可以透过的谱线的整体能量变化，基于朗伯比尔定律来计算气体浓度信息，由于气体的吸收谱线之间会有重叠，其他气体的存在会影响目标气体浓度的测量，因此基于能量密度计算需要通过后期的标定校准实验来修正等效吸收系数，但是也无法排除这种影响，因此目前基于光谱能量密度检测出的气体浓度值的准确性还有待提高，而且效率低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于光谱能量密度的气体浓度检测方法及系统，以进一步提高气体浓度检测的准确性。为了实现上述专利技术目的，本专利技术实施例提供了以下技术方案：一种基于光谱能量密度的气体浓度检测系统，包括控制模块和气室，所述气室中布置有红外光源模块和纳米线光谱探测器阵列，所述红外光源模块用于发出红外光线，所述纳米线光谱探测器阵列包括多个探测器，一个探测器用于吸收一种颜色光的光谱。另一方面，本专利技术实施例提供了一种基于光谱能量密度的气体浓度检测方法，包括以下步骤：利用纳米线光谱探测器阵列吸收经过待测气体后的红外光线，探测得到每根光谱的能量变化值；基于探测出的光谱能量变化值，计算出每根光谱对应的气体浓度；判断计算出的单根光谱对应的气体浓度值中是否存在异常值，若存在则直接剔除该异常值，然后求取平均值，该平均值即为待测气体的浓度值。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术分别基于各个光谱能量变化计算出对应的浓度值，因为谱线能量强度变化同气体的吸收系数和浓度有关，对于特定浓度的气体，消去吸收系数的影响后，等效变化强度在理论上应该一致，基于此则可以剔除谱线强度变化的异常值，也就是排除其他气体对待测气体浓度的影响，继而可以提高检测结果的准确性。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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。图1为甲烷的波长分布图。图2为传统方法测量经过滤光片滤光后的光能量变化值示意图。图3为实施例中基于光谱能量密度的气体浓度检测系统的结构示意图。图4为实施例中基于光谱能量密度的气体浓度检测方法的流程图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本专利技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本专利技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本专利技术的范围，而是仅仅表示本专利技术的选定实施例。基于本专利技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。请参阅图2，传统方法检测气体浓度时，光源与光电探测器之间设置有滤光片，一次检测时，测量经过滤光片滤光后(图中所示矩形灰色区域内)光能量相对变化值δI1，为了提高测量准确度和可靠性，短时间内需要进行N次测量，分别得到相对变化值为δI1……δIn，最终等效相对变化值为：δI＝(δI1+……+δIn)/N。然后根据等效朗伯比尔定律δI＝exp(-KCL)计算气体浓度值为：C＝-ln((δI1+……+δIn)/N)/(KL)其中δI为相对变化值；KL为待测介质标定长度为L的特征谱线的等效红外光吸收系数；C为待测气体的浓度，由于气体的吸收谱线之间会有重叠，其他气体的存在会影响目标气体浓度的测量，因此通过滤光片只计算透过滤光片的光能量的方式无法排除其他气体对待测气体浓度的影响。请参阅图3，本实施例中提供了一种基于光谱能量密度的气体浓度检测系统，包括控制模块10和气室20，所述气室20中布置有红外光源模块30和纳米线光谱探测器阵列40。红外光源模块30用于发出红外光线，纳米线光谱探测器阵列40包括多个探测器，一个探测器用于吸收一种颜色光的光谱。控制模块包括MCU，以及分别与MCU电连接的电源管理模块、光源驱动模块、外部接口模块和信号处理模块。电源管理模块将外部电源转换为电路中各元器件工作所需的电压。光源驱动模块为红外光源模块提供开/关信号，触发光红外源模块发出红外光线或者停止工作。纳米线光谱探测器阵列40将接收的光信号转换为电信号后，信号处理模块则是纳米线光谱探测器阵列40输出的电信号进行例如模数转换、滤波等处理，然后供给MCU进行气体浓度计算。请参阅图4，基于上述检测系统进行气体浓度检测时，包括以下步骤：步骤1，向密闭气室中注入待测气体，启动红外光源发出红外光线，利用纳米线光谱探测器阵列吸收经过待测气体后的红外光线，探测得到每根光谱的能量变化值。需要说明的是，此处的待测气体包括目标气体以及可能存在的混合在目标气体中的其他气体。例如，目标气体是甲烷CH4，实际是要探测甲烷的气体浓度，而待测气体中还包含有二氧化氮、臭氧等气体，则待测气体中除甲烷以外的气体都属于所述其他气体。也正是基于其他气体的存在，才导致传统的方法计算出的气体浓度的结果不准确。步骤2，利用试验测定出的单根谱线的固有吸收系数，以及探测出的光谱能量，计算出每根光谱对应的气体浓度。计算气体浓度基于朗伯比尔定律δI＝exp(-KCL)实现，其中，δI为相对变化值；KL为待测介质标定长度为L的特征谱线的红外光吸收系数，该系数可以通过试验精确测定，C为待测气体的浓度，由朗伯比尔定律有C＝-ln(δI)/(KL)。一次检测时，可以测量单根谱线的能量变化，即与没有通入待测气体时的测量值进行比较而得出的变化量，定义为δI，假设待测气体中谱线数量为M，纳米线光谱探测器阵列光谱分辨率高，能够精确识别待测气体的单根谱线，经过一次检测即可以将M根光谱的能量变化全部测量出，测量出的谱线的能量变化分别为δI1，……，δIm，根据单根谱线的能量变化，基于朗伯比尔定律计算气体浓度值为：C1＝-ln(δI1)/(K1L)，C2＝-ln(δI2)/(K2L)……，Cm＝-ln(δIm)/(KmL)步骤3，处理分析C1……Cm气体浓度值系列，根据密度识别等异常值检验方法(采用现有技术中常用的异常值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光谱能量密度的气体浓度检测系统，其特征在于，包括控制模块和气室，所述气室中布置有红外光源模块和纳米线光谱探测器阵列，所述红外光源模块用于发出红外光线，所述纳米线光谱探测器阵列包括多个探测器，一个探测器用于吸收一种颜色光的光谱。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于光谱能量密度的气体浓度检测系统，其特征在于，包括控制模块和气室，所述气室中布置有红外光源模块和纳米线光谱探测器阵列，所述红外光源模块用于发出红外光线，所述纳米线光谱探测器阵列包括多个探测器，一个探测器用于吸收一种颜色光的光谱。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制模块包括MCU，以及分别与MCU电连接的电源管理模块、光源驱动模块和信号处理模块，光源驱动模块触发光红外源模块发出红外光线或者停止工作，信号处理模块用...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛富增，赵勇，张彬，
申请(专利权)人：成都千嘉科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51