一种基于高频参考光频分复用技术的气体浓度测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于高频参考光频分复用技术的气体浓度测量装置，本发明专利技术还公开了一种基于高频参考光频分复用技术的气体浓度测量方法。本发明专利技术将高频参考光路与波长调制测量光路进行耦合，实现对干扰信号的提取与探测光强的修正进而准确提取探测光强的谐波信号，提高了气体参数测量的准确性，拓展了光谱吸收法的应用范围；本发明专利技术方法具有适用性好，应用场景广泛等特点，因此本发明专利技术方法对于航空航天发动机燃烧室等复杂环境下火焰温度、组分浓度的检测具有重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于高频参考光频分复用技术的气体浓度测量装置及测量方法
本专利技术涉及一种基于高频参考光频分复用技术的气体浓度测量装置，还涉及一种基于高频参考光频分复用技术的气体浓度测量方法，属于光学测量

技术介绍
航空发动机是一种复杂而精密的热力机械，直接影响到飞机的性能、可靠性和经济性。燃烧室是发动机必不可少的重要部件，通过燃烧释放燃料中的化学能，将化学能转化为热能，产生高温、高压燃气，提高发动机的做功能力。设计燃烧室时，需要保证燃烧稳定性好，燃烧效率高，排放污染少。燃烧产物中主要有残余空气(O2和N2)、碳氧化物(CO和CO2)、氮氧化物(NO和NO2)、未燃烃类化合物(TCH)等气体以及固态细微颗粒。其中特征气体是反映燃烧特性的重要指示性气体。它的存在表明燃料没有完全燃烧，燃烧效率有待提高。对特征气体参数的检测，有利于燃烧效率的优化，获得燃烧室设计、燃料当量比选择的重要数据。气体检测技术按照测量原理主要分为两类：光谱法和非光谱法。非光谱法主要有化学分析法、电学式气体检测法。化学分析法能够有效地分离混合气体，但响应时间较慢。电学式气体检测法灵敏度高、探测范围广，但需要接触测量环境，且鉴别气体种类的能力较差。光谱法通过测量目标气体光谱相关参数，反演气体浓度信息，可以检测气体的种类多，具有非接触测量、响应时间快等优点，是目前气体检测的研究热点。光谱法主要有傅里叶变换红外吸收光谱法(FTIR)、可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)等。FTIR技术主要基于迈克尔逊干涉仪原理，红外光源经准直透镜准直后发出平行光，经待测气体吸收后由望远镜系统接收，再经过干涉仪汇聚到探测器，从而得到待测气体的干涉信号，经傅里叶变换后即可得到不同浓度下气体的吸收光谱信息，从而计算出气体的浓度。但是FTIR设备比较庞大，响应速度也相对较慢，并且价格相对昂贵，因此未来还需要一定的发展。TDLAS技术是基于半导体激光器的窄线宽特性的一种光谱测量方法，可以实现混合气体的多组分、多参数同时测量，其通用性非常强，测量分辨率高，选择合式的待测气体特征吸收谱线即可测出痕量气体的浓度。其中，基于TDLAS的波长调制光谱法(WMS)具有信噪比高和测量灵敏度高等优点，已被广泛应用于红外波段的痕量气体探测和航空航天发动机燃烧火焰温度、组分浓度检测等方面。在复杂环境下的气体参数检测中，由于环境中湍流、强振动等干扰因素的影响，依赖传统WMS方法测量的信号将失真，无法用于提取有用的信息。例如，在航空发动机燃烧诊断过程中，发动机点火和燃烧阶段的强振动、燃烧流场的强湍流将对透射光强带来严重干扰，影响发动机燃烧诊断测量精度。对此，在对实验信号进行处理时，可以采用光强多周期平均的方式对噪声进行抑制。波长调制技术通过叠加高频调制信号，将高频吸收信号与低频噪声在频域上进行分离，借助锁相滤波技术，将吸收信号在特定倍频处解调出来，从而有效地抑制了低频噪声干扰。然而，目前对航空发动机燃烧诊断使用的调制频率仍然较低，多在200kHz以下。提高传统WMS方法的调制频率，又容易引起激光控制器对激光出光中心控制不稳、探测器带宽不足、采集设施不能满足要求等问题。此外，在机械振动和火焰抖动严重等测量环境中，尤其是对超燃发动机的瞬态流场而言，干扰频率和调制频率相当，极易产生串扰，无法实现干扰和吸收信号在频域上的分离，严重影响了测量精度。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于高频参考光频分复用技术的气体浓度测量装置。本专利技术还要解决的技术问题是提供一种基于高频参考光频分复用技术的气体浓度测量方法，该测量方法通过从原始光强信号中提取出有效信息，能够极大的提高复杂环境下气体参数测量的准确性。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：一种基于高频参考光频分复用技术的气体浓度测量装置，依次包括信号发生模块、气体参数测量模块、信号接收模块以及信号处理模块；其中，信号发生模块包括函数发生器、激光控制器、分布式反馈激光器和光纤分束器；气体参数测量模块包括光学标准具和测量池；信号接收模块由三个光电探测器组成；测量池中充有待测气体；函数发生器将扫描叠加调制信号输入激光控制器I中，激光控制器I对分布式反馈激光器I的输出波长、光强进行调谐；同时函数发生器将调制信号输入激光控制器II中，激光控制器II对分布式反馈激光器II的输出波长、光强进行调谐；两束激光耦合后依次通过两个光纤分束器分成三束光信号，其中一束由激光发射端穿过测量池，经待测气体吸收后被光电探测器I接收并转换为电信号，得到透射光强信号；另一束光信号经光学标准具后被光电探测器II接收，得到标准具信号进行时间频率转换；最后一束光信号直接被光电探测器III接收得到背景信号，三路信号均由对应的光电探测器传输至信号处理模块进行处理。一种基于高频参考光频分复用技术的气体浓度测量方法，具体包括如下步骤：(1)函数发生器将扫描频率为fs的信号叠加调制频率fm信号并通过其内部的通道一输入激光控制器I中，激光控制器I对DFB激光器I的输出波长和光强进行调谐；(2)函数发生器将调制频率fref信号通过其内部的通道二输入激光控制器II中，激光控制器II对DFB激光器II的输出波长和光强进行调谐；(3)将步骤(1)的调制光与步骤(2)的调制光进行耦合，并经光纤分束器分为三束光信号，一束由激光发射端穿过测量池，经待测气体吸收后被光电探测器I接收并转换为电信号，得到透射光强信号It(t)；一束经过光学标准具，由光电探测器II采集标准具信号Iv(t)；另一束直接由光电探测器III采集，得到背景光强信号I0(t)；(4)由标准具信号Iv(t)得到时间频率响应特性υ(t)；(5)透射光强信号It(t)进行数字锁相、低通滤波处理，在处理过程中，数字锁相、低通滤波的参数依据参考频率fref进行设置，得到一次谐波信号S1f，将透射光强信号It(t)除以一次谐波信号后得到修正后的光强信号(6)对背景光强信号I0(t)以及修正后的光强信号分别进行数字锁相、低通滤波处理，在处理过程中，数字锁相、低通滤波的参数依据调制频率fm进行设置，得到各自对应的一、二次谐波信号；(7)依据Beer-Lambert定律，将步骤(6)得到的光强信号的一、二次谐波信号进行进一步处理，得到归一化二次谐波信号，利用背景光强信号I0(t)和步骤(4)所得时间频率响应特性得到仿真的归一化二次谐波信号，最后根据得到的归一化二次谐波以及仿真的归一化二次谐波信号用最小二乘算法拟合出积分吸收面积A，通过积分吸收面积A计算出待测气体浓度值。其中，步骤(5)中，修正后的光强信号由如下公式计算得到：式(1)中，为透射光强信号It(t)对应的参考频率fref下的一、二次谐波x分量和y分量，F为低通滤波器；式(2)中，为透射光强信号It(t)对应的参考频率fref下的一次谐波信号；式(3)中，为修正后的光强信号。其中，步骤(6)中，背景光强信号I0(t)的一、二次谐波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高频参考光频分复用技术的气体浓度测量装置，其特征在于：依次包括信号发生模块、气体参数测量模块、信号接收模块以及信号处理模块；其中，信号发生模块包括函数发生器、激光控制器、分布式反馈激光器和光纤分束器；气体参数测量模块包括光学标准具和测量池；信号接收模块由三个光电探测器组成；测量池中充有待测气体；函数发生器将扫描叠加调制信号输入激光控制器I中，激光控制器I对分布式反馈激光器I的输出波长、光强进行调谐；同时函数发生器将调制信号输入激光控制器II中，激光控制器II对分布式反馈激光器II的输出波长、光强进行调谐；两束激光耦合后依次通过两个光纤分束器分成三束光信号，其中一束由激光发射端穿过测量池，经待测气体吸收后被光电探测器I接收并转换为电信号，得到透射光强信号；另一束光信号经光学标准具后被光电探测器II接收，得到标准具信号进行时间频率转换；最后一束光信号直接被光电探测器III接收得到背景信号，三路信号均由对应的光电探测器传输至信号处理模块进行处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于高频参考光频分复用技术的气体浓度测量装置，其特征在于：依次包括信号发生模块、气体参数测量模块、信号接收模块以及信号处理模块；其中，信号发生模块包括函数发生器、激光控制器、分布式反馈激光器和光纤分束器；气体参数测量模块包括光学标准具和测量池；信号接收模块由三个光电探测器组成；测量池中充有待测气体；函数发生器将扫描叠加调制信号输入激光控制器I中，激光控制器I对分布式反馈激光器I的输出波长、光强进行调谐；同时函数发生器将调制信号输入激光控制器II中，激光控制器II对分布式反馈激光器II的输出波长、光强进行调谐；两束激光耦合后依次通过两个光纤分束器分成三束光信号，其中一束由激光发射端穿过测量池，经待测气体吸收后被光电探测器I接收并转换为电信号，得到透射光强信号；另一束光信号经光学标准具后被光电探测器II接收，得到标准具信号进行时间频率转换；最后一束光信号直接被光电探测器III接收得到背景信号，三路信号均由对应的光电探测器传输至信号处理模块进行处理。


2.权利要求1所述的基于高频参考光频分复用技术的气体浓度测量方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)函数发生器将扫描频率为fs的信号叠加调制频率fm信号并通过其内部的通道一输入激光控制器I中，激光控制器I对DFB激光器I的输出波长和光强进行调谐；
(2)函数发生器将调制频率fref信号通过其内部的通道二输入激光控制器II中，激光控制器II对DFB激光器II的输出波长和光强进行调谐；
(3)将步骤(1)的调制光与步骤(2)的调制光进行耦合，并经光纤分束器分为三束光信号，一束由激光发射端穿过测量池，经待测气体吸收后被光电探测器I接收并转换为电信号，得到透射光强信号It(t)；一束经过光学标准具，由光电探测器II采集标准具信号Iυ(t)；另一束直接由光电探测器III采集，得到背景光强信号I0(t)；
(4)由标准具信号Iυ(t)得到时间频率响应特性υ(t)；
(5)透射光强信号It(t)进行数字锁相、低通滤波处理，在处理过程中，数字锁相、低通滤波的参数依据参考频率fref进行设置，得到一次谐波信号S1f，将透射光强信号It(t)除以一次谐波信号后得到修正后的光强信号
(6)对背景光强信号I0(t)以及修正后的光强信号分别进行数字锁相、低通滤波处理，在处理过程中，数字锁相、低通滤波的参数依据调制频率fm进行设置，得到各自对应的一、二次谐波信号：
(7)依据Beer-Lambert定律，将步骤(6)得到的...

【专利技术属性】
技术研发人员：周宾，连久翔，王一红，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32