黃云彪

（重慶川儀自動化股份有限公司 技術(shù)中心, 重慶 401121）

0 引言

近年來，隨著工業(yè)化水平的不斷提高，我國的鋼鐵、冶金、石油化工、電力、造紙、水泥和生化、制藥等行業(yè)得到快速發(fā)展。但經(jīng)濟增長的同時，工業(yè)化進程所帶來的環(huán)境污染問題日益嚴重，給我國可持續(xù)發(fā)展帶來巨大壓力，加強對石油化工、鋼鐵冶金等高污染行業(yè)的工礦企業(yè)的監(jiān)管和限制是減少環(huán)境污染的重要方法，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動分析優(yōu)化和監(jiān)測是監(jiān)管的重要手段，具有高精度、響應(yīng)快、可靠穩(wěn)定的在線分析設(shè)備是實現(xiàn)優(yōu)化和監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)。目前，工業(yè)在線濃度分析采用的電化學(xué)等方法，難以消除其他氣體以及被測環(huán)境中粉塵、濕度等對測量的干擾，從而影響測量準確度。而光學(xué)和光譜學(xué)方法以其測量精度高、響應(yīng)快速已成為污染氣體監(jiān)測研究的熱點。可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）具有原位快速在線測量優(yōu)勢，已日益廣泛地應(yīng)用于有毒氣體泄漏遙測、大氣質(zhì)量監(jiān)測等?；赥DLAS 技術(shù)的在線氣體濃度分析儀在取代傳統(tǒng)氣體分析儀方面具有巨大的潛力，它預(yù)處理簡單、不受背景氣體和粉塵影響，在在線氣體分析方面具有廣闊的應(yīng)用前景。本文將探討TDLAS技術(shù)濃度測量原理，研究氣體濃度測量數(shù)字濾波算法，以及濃度測量的溫壓補償方法。

1 TDLAS濃度測量原理

根據(jù)氣體分子對光譜選擇吸收原理，當半導(dǎo)體激光器發(fā)射出激光束穿過氣體時，氣體會對特定波長激光吸收，導(dǎo)致激光強度產(chǎn)生衰減，分析激光強度的衰減信息就可以獲得被測氣體的濃度。TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)就是利用氣體分子的這一特性來分析氣體濃度的。

根據(jù)朗伯—比爾原理，當氣體在特定波長范圍內(nèi)吸收時，其吸收強度滿足如下數(shù)學(xué)公式[1-6]：

由公式可見，式中包含氣體濃度信息，測量出光強變化，就能計算出氣體濃度。但在實際使用過程中，由于直接光強測量易受外部干擾和低頻噪聲影響，很難測量準確。為了使TDLAS的檢測靈敏度能夠達到ppm，甚至ppb 等級，一般采用波長調(diào)制光譜技術(shù)及鎖相檢測技術(shù)實現(xiàn)濃度測量。通過波長調(diào)制光譜技術(shù)可以抑制噪聲帶寬，利用鎖相檢測技術(shù)可以準確測量出淹沒在噪音中的含有濃度信息的微弱諧波信號，通過被測信號與參考信號頻率相關(guān)，而噪音頻率不相關(guān)，能有效地抑制外部干擾和低頻噪聲，從而可以實現(xiàn)較高的檢測靈敏度。

將公式(2)通過泰勒級數(shù)展開，并去掉高階無窮小項,可以得到二次諧波信號和濃度成正比關(guān)系,即

可見濃度信號存在二次諧波中，在恒溫、恒壓下可以認為濃度與二次諧波強度呈線性關(guān)系，產(chǎn)品運用中如果氣體的溫度、壓力變化不大，可以將 F ( α (ν )maxP L 看做常數(shù)，選取兩種標準氣體標定，即可得到濃度與二次諧波峰值的關(guān)系式，通過高速A/D采樣鎖相放大器輸出的調(diào)制信號的二次諧波，找到峰值計算出測量濃度。

2 二次諧波信號數(shù)字濾波

在實際產(chǎn)品中通過鎖相放大、帶通濾波后的二次諧波中仍然存在一定的干擾信號，對測量精度帶來影響，硬件的方法很難進一步提高濾波效果，軟件的數(shù)字濾波是很好的選擇。目前在TDLAS技術(shù)中廣泛應(yīng)用的數(shù)字濾波有：小波變換、Kalman濾波、αβγ 濾波[7]等。他們各有優(yōu)點和缺點，在實際應(yīng)用中，本文通過各種濾波算法實際比較，最終設(shè)計了一種基于FFT的濾波算法。方法是將二次諧波的時域的采樣信號轉(zhuǎn)換到頻域，保留有用信號頻譜，將無用的譜線去除。再通過傅立葉逆變換把處理后的諧波信號轉(zhuǎn)換回到時域，這樣就得到比較平滑的數(shù)據(jù)曲線，且對曲線線型幾乎沒有影響，達到較好的濾波效果。圖1是濾波前后效果。

3 濃度信號的溫壓修正

前面2節(jié)介紹了產(chǎn)品在恒溫、恒壓下實現(xiàn)濃度測量的方法。但產(chǎn)品的應(yīng)用現(xiàn)場很難達到這樣條件的要求，這就限制了產(chǎn)品的適用場合。因此，如何修正產(chǎn)品在不同環(huán)境條件下的濃度測量值，滿足不同溫度、壓力環(huán)境下的濃度測量是激光氣體分析儀最基本的要求。從公式(3)中可以看出，濃度與 F ( α (ν )max（ 吸收系數(shù) α(ν)線型在中心頻率 ν0處的二階導(dǎo)數(shù)）相關(guān)，而α(ν)是線型函數(shù)與譜線強度的乘積。

圖1 基于 FFT濾波的效果圖Fig.1 Effect based on FFT filter graph

式中Q是摩爾分子量函數(shù)，E是分子躍遷底層能量，h是普朗克常數(shù)，k是玻爾茲曼常量，c是光速，S(T0)是在參考溫度T0下的光譜線強度。

吸收譜線線型函數(shù)在氣體壓力較低時可以用Gauss線型函數(shù)表示。

吸收譜線線型函數(shù)在氣體壓力較高時可以用Lorenz線型函數(shù)表示。

式中C標為標定氣體濃度，P標為標定氣體壓強，T標為標定氣體溫度，為過標定氣體后二次諧波峰值，C測為待測氣體濃度，P測為待測氣體壓強，T測為待測氣體溫度，為過待測氣體后二次諧波峰值，根據(jù)公式（9）可以得到實際工況下的濃度值，達到溫壓補償?shù)哪康摹?/p>

4 結(jié)束語

TDLAS在線氣體濃度分析儀具有預(yù)處理簡單、響應(yīng)速度快、測量精度高、維護方便等優(yōu)點，是氣體在線分析的重要裝備，能提高我國工業(yè)過程自動分析控制和監(jiān)測水平，是氣體泄漏探測、環(huán)境保護的理想選擇。本文分析了基于TDLAS技術(shù)氣體濃度檢測技術(shù)，闡述了FFT濾波及分析儀溫壓補償方法。通過仿真試驗和實際數(shù)據(jù)驗證，方法可行。

[1]夏 慧,劉文清,張玉鈞，等.基于激光吸收光譜開放式長光程的空氣中甲烷在線監(jiān)測及分析[J]. 光學(xué)學(xué)報，2009，29(6):1454-1458.

[2]闞瑞峰,劉文清,張玉鈞，等.基于可調(diào)諧激光吸收光譜的大氣甲烷監(jiān)測儀[J].光學(xué)學(xué)報,2006,26(1):67-70.

[3]高曉明,黃 偉,李子堯，等.CO2分子的近紅外二極管激光吸收光譜靈敏探測[J].光學(xué)學(xué)報,2003,23(5):609-611.

[4]王曉梅,張玉鈞,劉文清，等.可調(diào)諧二極管吸收光譜痕量氣體濃度算法的研究[J].光學(xué)技術(shù),2006,32(5):717-719.

[5]鄒得寶,陳文亮,杜振輝，等.數(shù)字濾波方法在TDLAS逃逸氨檢測中的選用[J].光譜學(xué)與光譜分析, 2012,32(9):2322-2336.[6]張帥,劉文清,張玉鈞，等.數(shù)字濾波方法在TDLAS氣體檢測中的應(yīng)用[J].光學(xué)學(xué)報,2010,30(5):1362-1367.

[7]Kan Ruifeng，Liu Wenqing，Zhang Yujun et al..Application of α β γfiltering to real-time atmosphere methane concentration measurement[J]. Chin. Phys. B, 2006, 15 (6): 1379-1383.

[8]王元委,欒劍,周志煒，等.LD調(diào)制技術(shù)在光學(xué)式甲烷傳感器中的應(yīng)用[J].傳感器世界,2011,17（1）:16-18.

[9]張啟興,王進軍,劉炳海，等.基于調(diào)諧二極管激光吸收光譜的燃氣管道泄漏探測研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2009，29（8）:2017-2020.