TDLAS技术中不同背景气体的混合气体浓度算法

作者：陈昊; 鞠昱; 韩立; 常洋

来源：光谱学与光谱分析, 2020, 40(10): 3015-3020.

• TDLAS
• 混合气
• 浓度算法
• 洛伦兹吸收谱

可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS)是目前发展十分迅速的光谱检测技术,被广泛用于检测工业环境中的易燃易爆等危险气体;这些危险气体往往是多种气体混合而成,待测气体的直接吸收光谱在不同的背景气体下会发生改变,浓度计算结果存在误差;故而提出一种新型的混合气体浓度算法。针对不同背景气体下的混合气体浓度算法进行了讨论,研究了不同背景气体下洛伦兹吸收谱产生变化的原因,并分析了峰值算法和积分算法在计算混合气浓度存在误差的原因,提出了采用Levenberg-Marquardt算法拟合出洛伦兹吸收谱,利用面积系数与标准浓度进行二次拟合来表征混合气浓度的算法。实验搭建了基于TDLAS技术的气体检测系统,采用中心波长为1 368.59 nm的激光器,气室长度为30 cm,以水汽为待测气体,干燥空气、氮气、氩气作为背景气体,利用国瑞智双压法湿度发生器GRZ5013产生40%～80%的相对湿度环境,以Mitchell-s8000露点仪的测量结果作为参考值,通过计算干燥空气为背景气体下的峰值、积分和面积系数,拟合三者与Mitchell露点仪测量的水汽浓度结果,得到三种算法二次拟合关系,再对氮气和氩气背景下的水汽浓度进行计算,对比了峰值、积分和面积系数的浓度算法的相对误差。实验表明:氮气下峰值、积分和面积系数算法的最大相对误差为-11.64%, 2.65%和1.76%,最小误差为-7.79%,-0.56%和-0.54%,相对误差均方值为0.88%, 0.03%和0.01%;氩气下峰值、积分和面积系数算法的最大相对误差为-109.27%,-10.13%和2.96%,最小误差为73.04%,-5.51%和1.34%,相对误差均方值为87.51%, 0.61%和0.06%;面积系数表征浓度算法最优,误差最小,结果最为准确。

• 单位
  中国科学院电工研究所; 中国科学院大学