基于TDLAS技术的乙烯检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于TDLAS技术的乙烯检测方法，包含系统设计和数据处理方法，该系统主要包括TDLAS控制板、温度控制模块、激光器、准直器、分束器、气体吸收池、标准气体模块、模拟开关电路模块、探测器、数据采集卡和上位机。数据处理采用LabVIEW软件，数据处理过程包括：扫描周期对齐、误差分析与剔除、周期信号平均、数据滤波和背景扣除。本系统以TDLAS技术为理论基础，结合谐波检测技术，实现乙烯浓度检测，与现有技术相比，本发明专利技术采用了LabVIEW软件中调用MATLAB的方式，对采集到的乙烯浓度数据进行了处理，从而减少对实验结果的误差，提高了整体检测装置的准确性。

【技术实现步骤摘要】
基于TDLAS技术的乙烯检测方法
本专利技术涉及一种基于TDLAS技术的乙烯检测方法，包含系统设计和数据处理方法。
技术介绍
随着我国经济的高速发展，人们生活水平不断提高，对果蔬的营养需求也越来越高，为保证果蔬在运输过程中的新鲜品质，一般通过适当降低氧气浓度和提高二氧化碳浓度抑制果蔬呼吸作用，同时控制冷藏环境下的乙烯浓度，达到延缓果蔬的后熟衰老的作用。乙烯同时是影响大气化学特性和臭氧(O3)产生的重要气体，会对环境造成一定程度的污染；乙烯对人体有较强的麻醉作用，当人体呼入含有一定量乙烯的空气时，会导致人的意识丧失，造成记忆障碍，对人体健康极为有害；乙烯易燃，与空气混合时会形成爆炸性混合物，遇到明火、高热或与氧化剂接触，会有燃烧爆炸的危险。与氟、氯等气体接触会引起剧烈的化学反应，常被用作预示煤层自燃的指示气体，所以乙烯也成为我们生产生活中主要检测的气体之一。但是在实际测量乙烯浓度的过程中，获得的数据往往是不完整、不一致的，而且非常容易受到噪声的侵扰，这样自然就产生了数据的错值或者异常值，同时因为数据量太大，数据集经常来自多个数据源，所以最初得到的数据质量一般都达不到我们的要求，而低质量的数据将导致低质量的实验结果，因此数据处理在我们实验过程中显得尤为重要，是实验过程中不可或缺的一部分。综上，数据处理在气体检测过程中对最后的实验结果有着重要意义，本专利技术提供了一套易操作，准确性高的检测系统，再通过本专利技术提供的数据处理方法对采集到的数据进行处理，可以大大提高检测的准确性。专利技术内容为了克服上述现有技术，本专利技术提出了基于TDLAS技术的乙烯检测方法，本方法以TDLAS技术为基础，结合可调谐半导体激光吸收光谱技术，利用LabVIEW软件处理数据，实现乙烯浓度的检测。系统设计主要包括TDLAS控制板、温度控制模块、激光器、准直器、分束器、气体吸收池、标准气体模块、模拟开关电路模块、探测器、数据采集卡和上位机的设计。系统检测系统工作过程为：温度控制模块对激光温度进行粗调，TDLAS控制板上的信号发生电路产生低频扫描信号和高频调制信号，两路电压信号叠加后转换为电流信号，控制激光器的工作电流。激光器发射出的激光经分束器后分别进入气体吸收池和标准气体模块，扫描被测气体的吸收谱线，激光经过气体吸收池和气体标准模块后，由光电探测器把光信号装换成电信号，再由模拟开关电路模块将两路电信号分别传输到TDLAS控制板，经过前置放大器和锁相放大器处理后，检测到二次谐波信号，最后通过数据采集卡采集数据后传输到上位机，再利用LabVIEW软件对数据进行处理，最终得到气体浓度的检测结果。数据处理采用LabVIEW软件，数据处理过程包括：扫描周期对齐、误差分析与剔除、周期信号平均、数据滤波和背景扣除；扫描周期对齐：数据采集时，采集卡获取的二次谐波信号并不是单周期信号，而是多个扫描周期的连续信号，数据采集卡同时采集气体二次谐波信号和锯齿波扫描信号，锯齿波扫描信号作为周期对齐信号，锯齿波一个周期对应二次谐波的一个周期，通过查找锯齿波的最低点，可以确定二次谐波一个周期的起始点，按照固定长度将各周期信号重新排列，将对齐信号和二次谐波信号分别存入矩阵进行后续处理；误差分析与剔除：在锯齿波扫描乙烯气体吸收谱线的过程中，选取了一个周期内的锯齿波波形，锯齿波频率为5Hz，峰峰值为300mV，采样点数600，观测采样点300-900之间的锯齿波波形，首尾大概有20个采样点出现振动，振动的采样点会对激光器的输出波长造成波动，造成锯齿波重复扫描气体的相同吸收谱线，检测到的谐波信号会出现失真情况，影响系统检测精度，因此，在后续处理中，采样频率为3.2kS/s，去掉首尾振动的20个点作为数据处理的数据。周期信号平均：周期信号平均需要对多个周期的信号求取平均值，减少随机噪声对单周期信号的干扰，合理选择周期数，避免周期数过多导致运算时间增加，周期数过少对数据处理效果不佳。本文利用矩阵运算对原始数据进行周期信号平均，选取30个周期，得到了比较理想的信号。数据滤波：经过分析乙烯气体的二次谐波信号，发现在二次谐波存在噪声干扰。根据第四章的分析，分别采用了卡尔曼滤波和奇异值分解两种滤波方法进行数据处理，可以看到两种滤波方法的效果大致相同，奇异值分解法相比卡尔曼滤波滤除后的信号平滑一些。背景扣除：在气体浓度检测系统中，检测到的谐波信号中仍会存在各种背景信号的干扰，其中包括剩余幅度调制噪声和大间距光学干涉条纹。剩余幅度调制包括线性和非线性部分，线性部分是由激光器光强与注入电流的线性关系引起的，非线性部分是由激光驱动器或信号源中信号幅度具有轻微非线性所引起的，特别是扫描信号锯齿波包含有小条纹时，谐波上会出现周期性的背景信号；大间距光学干涉条纹的幅值变化较缓慢，这两种噪声不能通过滤波算法滤除，可通过背景扣除的方法滤除。是扫描信号锯齿波包含有小条纹时，谐波上会出现周期性的背景信号；大间距光学干涉条纹的幅值变化较缓慢，这两种噪声不能通过滤波算法滤除，可通过背景扣除的方法滤除。附图说明图1乙烯浓度检测系统结构图；图2LabVIEW监控软件；图3LabVIEW软件流程图；图4一个周期的二次谐波信号；图5锯齿波波形；图6锯齿波最低点与最高点部分：(a)最低点，(b)最高点；图7实际检测信号；图8奇异值滤波后的信号；图9二次谐波背景扣除前后；图10背景扣除后的二次谐波；图11背景扣除：(a)背景扣除前，(b)背景扣除后；图12背景扣除前最小二乘法拟合结果；图13背景扣除后最小二乘法拟合结果；具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明，但本专利技术的实施范围并不局限于此。基于TDLAS技术的乙烯浓度检测系统结构如图1。整个气体浓度检测系统主要包括TDLAS控制板、温度控制模块、激光器、准直器、分束器、气体吸收池、标准气体模块、模拟开关电路模块、探测器、数据采集卡和上位机。本乙烯浓度检测系统数据处理采用LabVIEW软件，它具有强大的数据采集、数据处理、数据分析、和仪器控制功能，同时具有很好的接口，通过LabVIEW软件编写采集程序，可以实现采集卡的数据采集，LabVIEW检测界面如图2所示。打开启动开关，启动监控界面，绿灯亮时，表明模块连通；参数设置包括温度、激光器电流、电流上限和光电电流设置，当实际值大于设置值时，相应的热敏电阻开路、激光器开路、制冷开路和电流超限会相应亮起红灯；右侧界面主要包括零校正、线性校正、参数设置以及采样率的设置，气体吸收谱线包括初始信号、单周期信号、浓度-时间、气体浓度的显示，打开采样开关，可以在相应的模块观测气体信号。LabVIEW在信号采集方面能够提供良好的交互性设计平台，但是在运算分析方面提供的工具箱不足，制约了LabVIEW进行运算开发的效率。MATLAB包含众多的专用工具箱，能够为各领域提供专业功能丰富且使用简单本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于TDLAS技术的乙烯检测方法，其特征在于其包含系统设计和数据处理，其中：/n所述系统设计，主要包括TDLAS控制板、温度控制模块、激光器、准直器、分束器、气体吸收池、标准气体模块、模拟开关电路模块、探测器、数据采集卡和上位机的系统设计；/n温度控制模块对激光温度进行粗调，TDLAS控制板上的信号发生电路产生低频扫描信号和高频调制信号，两路电压信号叠加后转换为电流信号，控制激光器的工作电流；激光器发射出的激光经分束器后分别进入气体吸收池和标准气体模块，扫描被测气体的吸收谱线，激光经过气体吸收池和气体标准模块后，由光电探测器把光信号装换成电信号，再由模拟开关电路模块将两路电信号分别传输到TDLAS控制板，经过前置放大器和锁相放大器处理后，检测到二次谐波信号，最后通过数据采集卡采集数据后传输到上位机，再利用LabVIEW软件对数据进行处理，最终得到气体浓度的检测结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于TDLAS技术的乙烯检测方法，其特征在于其包含系统设计和数据处理，其中：
所述系统设计，主要包括TDLAS控制板、温度控制模块、激光器、准直器、分束器、气体吸收池、标准气体模块、模拟开关电路模块、探测器、数据采集卡和上位机的系统设计；
温度控制模块对激光温度进行粗调，TDLAS控制板上的信号发生电路产生低频扫描信号和高频调制信号，两路电压信号叠加后转换为电流信号，控制激光器的工作电流；激光器发射出的激光经分束器后分别进入气体吸收池和标准气体模块，扫描被测气体的吸收谱线，激光经过气体吸收池和气体标准模块后，由光电探测器把光信号装换成电信号，再由模拟开关电路模块将两路电信号分别传输到TDLAS控制板，经过前置放大器和锁相放大器处理后，检测到二次谐波信号，最后通过数据采集卡采集数据后传输到上位机，再利用LabVIEW软件对数据进行处理，最终得到气体浓度的检测结果。


2.利用如权利要求1所述的数据处理，其特征在于，该数据处理方法包括以下步骤：
数据处理采用LabVIEW软件，数据处理过程包括：扫描周期对齐、误差分析与剔除、周期信号平均、数据滤波和背景扣除；
步骤1、扫描周期对齐，数据采集时，采集卡获取的二次谐波信号并不是单周期信号，而是多个扫描周期的连续信号，数据采集卡同时采集气体二次谐波信号和锯齿波扫描信号，锯齿波扫描信号作为周期对齐信号，锯齿波一个周期对应二次谐波的一个周期，通过查找锯齿波的最低点，可以确定二次谐波一个周期的起始点，按照固定长度将各周期信号重新排列，将对齐信号和二次谐波信号分别存入矩阵进行后续处理；
步...

【专利技术属性】
技术研发人员：张锐，杨贺轩，刘乔俊，
申请(专利权)人：天津科技大学，
类型：发明
国别省市：天津;12