一种半开放式的大气中氨气浓度检测系统及测量方法与流程

本发明涉及氨气浓度测量领域，尤其涉及一种半开放式的大气中氨气浓度检测系统及测量方法。

背景技术：

1、在大气监测、环境科学以及工业安全等领域，经常需要检测气体中低浓度的特定成分，如氨气。由于低浓度气体吸收信号弱，容易受到背景噪声和环境因素的干扰，通过现有的直接吸收法无法准确测量出低浓度气体的浓度。

2、直接吸收法是一种基于朗伯-比尔定律（beer-lambert law）的经典光谱测量技术，它通过测量气体样品对特定波长光的吸收程度来确定气体的浓度。具体操作时，仪器发射特定波长的光穿过含有待测气体的样品，然后由探测器接收穿过样品后的光信号。样品中气体的浓度与光的吸收程度成正比。但由于大气中的氨气浓度通常很低，以ppb（十亿分比）或低ppm（百万分比）级别存在。这样的低浓度意味着气体对光的吸收效应极其微弱，直接吸收法可能难以从背景噪声中区分出有效的吸收信号，导致测量精度大大降低。大气是一个复杂的混合物，除了氨气之外，还包含水蒸气、尘埃颗粒等多种成分，这些都可能对光的吸收和散射产生干扰，进一步掩盖或混淆氨气的吸收信号。因此大多数常规的直接吸收光谱仪在设计时，无法达到检测极低浓度气体所需的高灵敏度和低噪声水平。

3、其次，温度、压力变化等环境因素会显著影响气体的吸收特性，从而影响测量结果的准确性。如何在不同环境条件下准确校正测量数据，确保结果的可比性和一致性，是另一个亟待解决的问题。

4、传统的检测方式（由于氨气吸附性和水溶性非常强，用传统气体管路取样和闭路密闭气体分析池的光谱分析方法存在难度），如使用封闭式检测设备，虽能在一定程度上准确测量氨气浓度，但由于需要采集气体样本并置于封闭环境中进行分析，存在响应速度慢、无法实时监测大气环境氨气浓度的局限性。

技术实现思路

1、为了实时检测大气环境中的氨气浓度，本发明提出了一种半开放式的大气中氨气浓度检测系统，包括：

2、机柜，所述机柜上设有通风孔，气体可从所述通风孔进入所述机柜中，且所述机柜中的气体可从所述通风孔处排出；

3、氨气浓度检测仪，设置在所述机柜中，用于检测所述机柜中的氨气浓度；

4、所述氨气浓度检测仪包括：

5、量子级联激光器，用于发出激光束并通过斜坡波形对大气中的氨气吸收线进行扫描；

6、形成参考路径的参考部件；

7、形成测量路径的测量部件；所述测量部件包括第一透镜、第一凹面镜、herriott池、第二凹面镜、第二透镜与光电探测器；

8、分束镜，用于将量子级联激光器发出的激光束分割为通往测量路径的第一光束与通往参考路径的第二光束；所述第一光束依次经过第一透镜、第一凹面镜、herriott池、第二凹面镜与第二透镜；

9、数据处理器；

10、所述测量部件用于检测并处理透过第二透镜的氨气特征吸收线的信号；

11、所述参考部件用于检测并处理经过参考路径的第二光束的光谱信号；

12、所述数据处理器用于基于测量部件与参考部件处理得到的信号获取被检测气体的直接吸收浓度；

13、风扇，设置在所述机柜中，当所述风扇开启时，可加快气体进出所述机柜的流动速度；

14、供电模块，配置于所述机柜，与所述氨气浓度检测仪以及所述风扇电连接，且可向所述氨气浓度检测仪以及所述风扇供电。

15、进一步地，所述机柜内表面设置有防氨气吸附的内衬层。

16、本发明还提出了一种大气氨气浓度测量方法，应用于如上文所述的大气中氨气浓度检测系统；所述测量方法包括：

17、通过量子级联激光器发出激光束并通过斜坡波形对标准氨气样本中的氨气吸收线进行扫描；

18、通过测量部件中的光电探测器检测透过第二透镜的标准氨气样本，捕获标准氨气样本的特征吸收线信号，并对该信号进行处理得到直接吸收原始光谱；

19、通过数据处理器利用wms调制解调算法对直接吸收原始光谱进行解调得到wms调制解调吸收光谱，并对wms调制解调吸收光谱进行二次拟合得到基线谱，获取直接吸收原始光谱与基线谱相减后的光谱数据，得到直接吸收光谱；

20、通过数据处理器利用直接吸收光谱与标准温压环境下预设浓度的吸收谱获取标准氨气气体在当前温压环境下的直接吸收浓度，并通过wms波长调制解调光谱对当前温压环境下的直接吸收浓度进行量程标定，得到体现光信号强度的参考光谱；

21、通过数据处理器利用测量部件中的光电探测器的检测信号与参考光谱获取大气中氨气对应的直接吸收浓度；所述检测信号为大气氨气对应的直接吸收原始光谱。

22、进一步地，所述测量部件中的光电探测器包括：模数转换器与基于fpga的锁相放大器；

23、所述通过测量部件中的光电探测器检测透过第二透镜的标准氨气样本，捕获标准氨气样本的特征吸收线信号，并对该信号进行处理得到直接吸收原始光谱，具体为：

24、所述通过测量部件中的光电探测器检测透过第二透镜的标准氨气样本，捕获标准氨气样本的特征吸收线信号得到吸收谱，通过锁相放大器增强吸收谱的信号，并利用模数转换器对增强后的吸收谱进行采样得到直接吸收原始光谱。

25、进一步地，所述对wms调制解调吸收光谱进行二次拟合得到基线谱，具体为：

26、识别wms调制解调吸收光谱的峰位置，通过峰位置界定wms调制解调吸收光谱的左边区域与右边区域；

27、利用二次多项式拟合方法分别对左边区域与右边区域的光谱数据进行二次拟合，得到左边区域对应的第一拟合曲线与右边区域对应的第二拟合曲线；

28、通过平滑连接第一拟合曲线与第二拟合曲线得到不受标准氨气气体吸收影响的基线谱。

29、进一步地，所述获取标准氨气气体在当前温压环境下的直接吸收浓度，具体包括：

30、通过对直接吸收光谱与标准温压环境下预设浓度的吸收谱进行线性拟合得到k值；

31、通过k值获取标准氨气气体在标准温压环境下的直接吸收浓度；

32、通过仿真程序获取温压补偿系数表；

33、根据当前温压环境下的温度与气压在温压补偿系数表中查找到对应的补偿系数m；

34、通过补偿系数m与标准氨气气体在标准温压环境下的直接吸收浓度计算标准氨气气体在当前温压环境下的直接吸收浓度。

35、进一步地，所述通过数据处理器利用测量部件中的光电探测器的检测信号与参考光谱获取大气中氨气对应的直接吸收浓度，具体为：

36、通过量子级联激光器发出激光束并通过斜坡波形对大气中的氨气吸收线进行扫描；一个斜坡波形中包括多个扫描点；

37、通过测量部件中的光电探测器检测透过第二透镜的大气氨气，捕获大气氨气的特征吸收线信号，并对该信号进行处理得到直接吸收原始光谱；

38、通过数据处理器利用wms调制解调算法对测量部件处理得到的直接吸收原始光谱进行解调得到各扫描点对应的解调信号，并对各扫描点对应的解调信号进行归一化处理得到归一化光谱；所述解调信号包括：正弦信号1f和二次谐波信号2f；

39、通过数据处理器将归一化光谱投影至参考光谱，并通过数据比值的方式获取当前归一化光谱对应的直接吸收浓度。

40、进一步地，所述通过数据处理器将归一化光谱投影至参考光谱，并通过数据比值的方式获取当前归一化光谱对应的直接吸收浓度，具体为：

41、获取参考光谱中最大吸收峰的吸光度；

42、获取归一化光谱中的特征吸收峰，并获取该特征吸收峰对应的吸光度；

43、基于参考光谱中最大吸收峰的吸光度与参考光谱对应的直接吸收浓度，以及归一化光谱中特征吸收峰对应的吸光度建立比例关系式；所述比例关系式的表达式为：；式中，表示参考光谱，表示参考光谱中最大吸收峰的吸光度，表示参考光谱对应的直接吸收浓度；表示归一化光谱，表示归一化光谱中特征吸收峰对应的吸光度，表示待求解的归一化光谱对应的直接吸收浓度；

44、通过比例关系式求解归一化光谱对应的直接吸收浓度。

45、进一步地，所述参考部件包括：高浓度氨反应池以及包含模数转换器与锁相放大器的光电探测器；其中，所述参考部件中的光电探测器用于检测经过高浓度氨反应池的第二光束得到参考部件对应的吸收谱，通过锁相放大器增强吸收谱的信号，并利用模数转换器对增强后的吸收谱进行采样得到直接吸收原始光谱；

46、所述测量方法还包括：

47、通过数据处理器利用测量部件与参考部件分别处理得到的直接吸收原始光谱锁定最优电流值，并以最优电流值控制量子级联激光器的驱动电流。

48、进一步地，所述通过数据处理器利用测量部件与参考部件分别处理得到的直接吸收原始光谱锁定最优电流值，并以最优电流值控制量子级联激光器的驱动电流，具体包括：

49、调节量子级联激光器的工作驱动电流，使工作驱动电流从预设最小电流开始递增，直至达到预设的安全限制电流；

50、获取调节过程中通过测量部件检测到的直接吸收原始光谱为第一吸收谱、通过参考部件检测到的直接吸收原始光谱为第二吸收谱；获取第一吸收谱与第二吸收谱的最大吸收峰；

51、通过第一吸收谱中最大吸收峰的光信号强度与第二吸收谱中最大吸收峰的光信号强度计算目标吸光度；目标吸光度的计算公式为：

52、；式中，表示第一吸收谱中最大吸收峰的光信号强度，表示第二吸收谱中最大吸收峰的光信号强度，表示目标吸光度；

53、锁定目标吸光度对应的电流为最优电流值，并以最优电流值控制量子级联激光器的驱动电流。

54、与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：

55、（1）通过本发明半开放式的大气中氨气浓度检测系统，能够直接在原位（即大气环境中）实时检测氨气浓度，摒弃了传统的采样-运输-实验室分析的繁琐流程，本发明可以即时反馈监测区域的氨气浓度变化，不间断地测量大气中氨气的动态变化，适合于长期环境监测和趋势分析，避免了采样、运输和储存过程中可能引入的污染或浓度变化，提高了测量结果的准确性和可靠性；

56、（2）本发明利用wms调制解调算法对测量部件处理得到的直接吸收原始光谱进行解调提高了信号的信噪比，同时通过数据比值的方式增强了实际测量数据的信噪比，进而实现了对低浓度氨气的高精度检测；

57、（3）本发明通过获取参考光谱中最大吸收峰的吸光度；获取归一化光谱中的特征吸收峰，并获取该特征吸收峰对应的吸光度；基于参考光谱中最大吸收峰的吸光度与参考光谱对应的直接吸收浓度，以及归一化光谱中特征吸收峰对应的吸光度建立比例关系式；通过比例关系式求解归一化光谱对应的直接吸收浓度；即本发明将实时测量的归一化光谱与参考光谱相比较，可以确定一个比例关系式，这个比例关系式反映了实际测量条件下氨气浓度与参考条件下氨气浓度的比例关系，因此，即使直接吸收信号非常微弱，通过这种比值分析方法，依然能够准确地从微弱的信号变化中解析出大气中氨气的实际浓度，从而提高测量精度；该方法实质上是利用了已知的、高度校准的基准数据（参考光谱）作为基础，通过数学比对来增强实际测量数据的信噪比，进而实现对低浓度氨气的高精度检测；

58、（4）本发明在对已知浓度的标准氨气样本进行测量与标定时，通过对直接吸收光谱与标准温压环境下预设浓度的吸收谱进行线性拟合得到k值；通过k值获取标准氨气气体在标准温压环境下的直接吸收浓度；根据当前温压环境下的温度与气压在温压补偿系数表中查找到对应的补偿系数m；通过补偿系数m与标准氨气气体在标准温压环境下的直接吸收浓度计算标准氨气气体在当前温压环境下的直接吸收浓度，即本发明通过计算得到的k值来校正环境因素对测量结果的影响，从而准确评估出标准氨气气体在标准温压环境下的真实浓度（直接吸收浓度），并通过补偿系数m与真实浓度计算标准氨气气体在当前温压环境下的直接吸收浓度，从而消除了环境变量对直接吸收浓度计算的影响，提高了标定的准确度；

59、（5）本发明通过对wms调制解调吸收光谱进行二次拟合得到基线谱，获取直接吸收原始光谱与基线谱相减后的光谱数据，得到直接吸收光谱；即本发明通过将基线谱从直接吸收原始光谱中减去（分离出纯净的氨气气体吸收信号），以在原始数据中移除背景变化的影响，使得剩余的信号主要反映氨气的吸收特征，提高了测量的准确性和灵敏度；

60、（6）由于量子级联激光器的性能包括光输出功率和稳定性，其随工作驱动电流的变化而变化，因此，本发明通过数据处理器利用测量部件与参考部件分别处理得到的直接吸收原始光谱锁定最优电流值，并以最优电流值控制量子级联激光器的驱动电流，使量子级联激光器在最佳状态下工作，以获得最强且稳定的吸收信号，提高了测量的效率和精度；

61、（7）本发明通过与高信噪比的参考光谱进行比较并采用数据比值的方式进行分析，可以有效放大信号变化，从而在低浓度条件下实现大气氨气浓度的准确测量；

62、（8）本发明通过对各扫描点对应的解调信号进行归一化处理消除了信号噪声和非线性效应，提高了测量的精确度。