一种基于修正TDLAS背景信号漂移的气体浓度检测方法、系统及计算机可读存储介质与流程

一种基于修正tdlas背景信号漂移的气体浓度检测方法、系统及计算机可读存储介质
技术领域
1.本发明涉及测控技术领域，更具体地，涉及一种基于修正tdlas背景信号漂移的气体浓度检测方法、系统及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.随着半导体激光器的发展，可调谐二极管激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy,tdlas)技术有了巨大的进步，该技术利用气体分子对光的吸收测量气体浓度，具有非接触测量、响应速度块、良好的选择性、测量精度高等优点，可以满足不同环境下气体浓度的测量，近年来，得到很多研究人员的青睐。目前已经有了超过1000种tdlas仪器应用于连续排放监测以及工业过程控制等领域，每年全球出售的tdlas检测仪器占据了红外气体传感检测仪器总数的5％～10％，实现了不同领域气体浓度、温度、流速等参数的高精度探测，为各领域的发展提供了重要的技术保障。
3.基于tdlas技术的波长调制光谱(wavelength modulation spectroscopy，wms)技术被提出：先对波长高频调制，再采用谐波检测技术测得吸收信号的二次谐波(the second harmonic，2f)，利用2f峰值与浓度之间的比例关系反演浓度。
4.在实际测量中，激光器存在非线性强度调制，即使在光程上没有目标气体的情况下，二次谐波信号也不为零。除此之外，电子设备的非线性、光学系统中的标准具、机械振动以及测量环境的变化等均会给二次谐波信号带来影响。将这些混合在一起的额外信号称为二次谐波的背景信号。
5.存在的背景信号会对2f信号造成干扰，测量时通常通过从2f信号中扣除背景信号的方法来消除这种干扰。但是，背景信号会在幅值和相位上都发生漂移，这给实时测量带来了更大的难度。
6.现有技术中，公开号为：cn111595818a中国发明专利，于2020年8月28日公开了一种可扩展宽温度范围内检测量程的激光吸收光谱检测系统的检测方法。激光吸收光谱检测系统包括激光器、吸收池、光电探测器、信号处理单元和控制器。吸收池中设有温度传感器。该方案没有考虑背景信号在幅值和相位上发生漂移对测量的影响。


技术实现要素：

7.本发明为克服上述现有技术气体浓度反演测量中没有去除背景信号的影响，导致测量结果不准确的缺陷，提供一种基于修正tdlas背景信号漂移的气体浓度检测方法、系统及计算机可读存储介质。
8.本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
9.一种基于修正tdlas背景信号漂移的气体浓度检测方法，包括以下步骤：
10.s1：利用已知浓度的目标气体标定出浓度与2f信号峰值之间的线性关系；
11.s2：获取二次谐波的背景信号历史数据，验证背景信号的复现性；
12.s3：构建二次谐波的背景信号数据库；
13.s4：对待测气体实际测量获取待测气体实时2f信号，利用背景信号历史数据库获取最相似待测气体实时2f信号的背景信号，记为相似背景信号；
14.s5：利用相似背景信号获取待测气体实时2f信号的峰值，将峰值代入步骤s1的线性关系，反演出待测目标气体浓度。
15.进一步地，步骤s1所述的浓度与2f信号峰值之间的线性关系表达式为：
16.v
2f
‑
peak
＝0.393*c 0.167
17.其中，v
2f
‑
peak
表示2f信号峰值，c表示气体浓度。
18.进一步地，步骤s2中验证背景信号的复现性具体步骤为：
19.采集设定时长的背景信号后建立背景信号数据库q，再次采集得到背景信号s1，逐一计算背景信号s1与背景信号数据库q中背景信号的相关系数，若q中存在背景信号与背景信号s1的相关系数大于0.99，则验证了背景信号能够复现。
20.进一步地，步骤s3中通过在设定时长内对零气测量来构建二次谐波的背景信号数据库。
21.进一步地，步骤s4中利用背景信号历史数据库获取最相似待测气体实时2f信号的背景信号具体过程为：
22.分别计算待测气体实时2f信号与背景信号数据库中信号的相关系数；
23.将相关系数最大值对应的背景信号数据库中信号作为最相似待测气体实时2f信号的背景信号。
24.进一步地，计算待测气体实时2f信号与背景信号数据库中信号的相关系数的公式如下：
[0025][0026]
其中，i＝1，2，3，
…
n为采样点序列；x为背景信号数据库库中的信号，为x所有采样点的均值；y为测量的2f信号未吸收区域，为y所有采样点的均值。
[0027]
进一步地，利用相似背景信号获取待测气体实时2f信号的峰值具体为：中待测气体实时2f信号扣除相似背景信号即得到待测气体实时2f信号的峰值。
[0028]
本发明第二方面提供了一种修正版tdlas背景信号漂移的气体浓度反演系统，该系统包括：第一流量计、第二流量计、流量显示仪、气体混合器、气体池、反射镜、激光器、、光电探测器、信号处理装置、数据采集卡、pc机，第一待测气体通过第一流量计的输入至气体混合器，第二待测气体通过第二流量计输入至气体混合器，所述第一流量计和第二流量计均与流量显示仪的数据输入端电连接，所述气体混合器的输出端连通至气体池第一输入口，所述信号处理装置的第一输出端连接至激光器的输入端，所述激光器的输出端通过反射镜将激光投射入气体池第二输入口，所述气体池的信号输出端连接至所述光电探测器的输入端，所述光电探测器的输出端连接至信号处理装置的输入端，所述信号处理装置的第二输出端连接至所述数据集采卡的输入端，所述数据集采卡的输出端与pc机连接，所述pc
机中包括有存储器、处理器，所述存储器中包括基于修正tdlas背景信号漂移的气体浓度反演方法程序，所述基于修正tdlas背景信号漂移的气体浓度反演方法程序被所述处理器执行时实现如下步骤：
[0029]
s1：利用已知浓度的目标气体标定出浓度与2f信号峰值之间的线性关系；
[0030]
s2：获取二次谐波的背景信号历史数据，验证背景信号的复现性；
[0031]
s3：构建二次谐波的背景信号数据库；
[0032]
s4：对待测气体实际测量获取待测气体实时2f信号，利用背景信号历史数据库获取最相似待测气体实时2f信号的背景信号，记为相似背景信号；
[0033]
s5：利用相似背景信号获取待测气体实时2f信号的峰值，将峰值代入步骤s1的线性关系，反演出待测目标气体浓度。
[0034]
进一步地，所述信号处理装置包括有函数信号发生器和锁相放大器。
[0035]
本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中包括基于修正tdlas背景信号漂移的气体浓度检测方法程序，所述基于修正tdlas背景信号漂移的气体浓度检测方法程序被处理器执行时，实现所述的一种基于修正tdlas背景信号漂移的气体浓度检测方法的步骤。
[0036]
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
[0037]
本发明通过构建二次谐波的背景信号数据库，计算实时2f信号与背景信号数据库的相关系数获取相似背景信号并去除，得到2f信号的峰值，根据定出浓度与2f信号峰值之间的线性关系反演出待测目标气体浓度，克服了背景信号对测量结果的影响，提高了测量精度。
附图说明
[0038]
图1为本发明一种基于修正tdlas背景信号漂移的气体浓度检测方法流程图。
[0039]
图2为本发明实施例中目标背景信号与搜索背景信号示意图。
[0040]
图3为本发明实施例中气体浓度检测对比图。
[0041]
图4为本发明一种基于修正tdlas背景信号漂移的气体浓度检测系统框图。
具体实施方式
[0042]
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0043]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0044]
实施例1
[0045]
如图1所示，一种基于修正tdlas背景信号漂移的气体浓度检测方法，包括以下步骤：
[0046]
s1：利用已知浓度的目标气体标定出浓度与2f信号峰值之间的线性关系；
[0047]
在一个具体的实施例中，可以通过采集若干组已知浓度的目标气体进行线性关系
的标定，例如在温度为296k，压力为1atm的工况下，采集了no在5.18μm左右的二次谐波信号。采集一组二次谐波信号后采集一组背景信号进行扣除，对10ppm、8ppm、6ppm、4ppm和2ppm五个浓度的2f信号峰值拟合得到标定关系式。测量结果如表1：
[0048]
表1为实际浓度与2f信号峰值关系表
[0049]
实际浓度2f信号峰值2ppm0.844ppm1..576ppm2.358ppm3.1410ppm3.99
[0050]
标定关系式为：
[0051]
v
2f
‑
peak
＝0.393*c 0.167
[0052]
其中，v
2f
‑
peak
表示2f信号峰值，c表示气体浓度；
[0053]
s2：获取二次谐波的背景信号历史数据，验证背景信号的复现性；
[0054]
更具体的，背景信号复现性的验证过程为：采集设定时长的背景信号后建立背景信号数据库q，再次采集得到背景信号s1，逐一计算背景信号s1与背景信号数据库q中背景信号的相关系数，若存在背景信号与背景信号s1的相关系数大于或等于0.99，则验证了背景信号能够复现。
[0055]
s3：构建二次谐波的背景信号数据库；
[0056]
在一个具体的实施中，在设定时长内连续对零气测量来构建二次谐波的背景信号数据库。例如，连续采集了48个小时的纯n2背景信号，每隔20min采集一次，共144组，方便表达，用大写字母q表示背景信号数据库。24小时后，再次采集一组背景信号s1，作为目标信号，在q中搜索与之相关系数最大的背景信号s2，s1和s2如图2所示。可以看到，两个信号重合度较高，计算的相关系数r＝0.99，证明了背景信号的复现性，可以采用本发明的方法扣除背景信号。
[0057]
s4：对待测气体实际测量获取待测气体实时2f信号，利用背景信号历史数据库获取最相似待测气体实时2f信号的背景信号，记为相似背景信号；
[0058]
在本发明中，利用背景信号历史数据库获取最相似待测气体实时2f信号的背景信号具体过程为：
[0059]
分别计算待测气体实时2f信号与背景信号数据库中信号的相关系数；
[0060]
将相关系数最大值对应的背景信号数据库中信号作为最相似待测气体实时2f信号的背景信号。
[0061]
其中，计算待测气体实时2f信号与背景信号数据库中信号的相关系数的公式如下：
[0062][0063]
其中，i＝1，2，3，
…
n为采样点序列；x为背景信号数据库库中的信号，为x所有采
样点的均值；y为测量的2f信号未吸收区域，为y所有采样点的均值。
[0064]
s5：利用相似背景信号获取待测气体实时2f信号的峰值，将峰值代入步骤s1的线性关系，反演出待测目标气体浓度。
[0065]
在本发明中，通过待测气体实时2f信号扣除相似背景信号即得到待测气体实时2f信号的峰值。
[0066]
在一个具体的实施例中，例如对2.5ppm的no进行了长达24h的监测，得到的浓度结果如图3所示。其中修正前的浓度计算通过扣除初始的背景信号反演获得，修正后的浓度通过扣除从q中搜索的相关性最大的背景信号获得，所述修正后浓度也即采用本发明方法反演出的气体浓度。从图中可以直观地看到，相比于仅扣除初始背景，建立背景信号数据库搜索最相关背景信号的方法进行修正的效果明显。经过计算，修正前平均相对误差为6.48％，修正后的平均相对误差为3.84％，浓度测量的准确性得到了很大提升。
[0067]
本发明第二方面提供了一种基于修正tdlas背景信号漂移的气体浓度反演系统，该系统包括：第一流量计1、第二流量计2、流量显示仪3、气体混合器4、气体池5、反射镜6、激光器7、光电探测器8、信号处理装置9、数据采集卡10、pc机11，第一待测气体通过第一流量计1的输入至气体混合器4，第二待测气体通过第二流量计2输入至气体混合器4，所述第一流量计1和第二流量计2均与流量显示仪3的数据输入端电连接，所述气体混合器4的输出端连通至气体池5第一输入口，所述信号处理装置9的第一输出端连接至激光器7的输入端，所述激光器7的输出端通过反射镜6将激光投射入气体池5第二输入口，所述气体池5的信号输出端连接至所述光电探测器8的输入端，所述光电探测器8的输出端连接至信号处理装置9的输入端，所述信号处理装置9的第二输出端连接至所述数据集采卡10的输入端，所述数据集采卡10的输出端与pc机11连接，所述pc机11中包括有存储器、处理器，所述存储器中包括基于修正tdlas背景信号漂移的气体浓度反演方法程序，所述基于修正tdlas背景信号漂移的气体浓度反演方法程序被所述处理器执行时实现如下步骤：
[0068]
s1：利用已知浓度的目标气体标定出浓度与2f信号峰值之间的线性关系；
[0069]
s2：获取二次谐波的背景信号历史数据，验证背景信号的复现性；
[0070]
s3：构建二次谐波的背景信号数据库；
[0071]
s4：对待测气体实际测量获取待测气体实时2f信号，利用背景信号历史数据库获取最相似待测气体实时2f信号的背景信号，记为相似背景信号；
[0072]
s5：利用相似背景信号获取待测气体实时2f信号的峰值，将峰值代入步骤s1的线性关系，反演出待测目标气体浓度。
[0073]
在一个具体的实施例中，以no中红外qcl激光器为例，测量no的浓度，测量系统如图所示，其中第一流量计、第二流量计、流量显示仪、气体混合器为系统的气体制备部分，气体池、反射镜、激光器、信号处理装置、数据采集卡、pc机为系统的激光检测部分，在具体的实施过程中，高纯氮气(99.999％)和10ppm的no(99.999％)经过流量计和和流量显示仪配置不同浓度的no。加调制的激光经过反射镜进入20m光程长的气体池，多次反射后进入中光电探测器，光电探测器将光信号转变为电信号后输入信号处理装置对2f信号进行解调，再通过数据采集卡采集解调后的2f信号并发送至pc机。
[0074]
进一步地，所述信号处理装置包括有函数信号发生器和锁相放大器。
[0075]
本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中包
括基于修正tdlas背景信号漂移的气体浓度检测方法程序，所述基于修正tdlas背景信号漂移的气体浓度检测方法程序被处理器执行时，实现所述的一种基于修正tdlas背景信号漂移的气体浓度检测方法的步骤。
[0076]
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
[0077]
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0078]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。