TDLAS中基于谐波信号的气体绝对吸收强度在线测量算法研究

In tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS), the traditional direct absorption spectroscopy (DAS) can directly determine gas temperature and concentration by using the measured absolute absorbance. The theory is simple while DAS is easily affected by particle concentration and laser intensity fluctuation. Wavelength modulation spectroscopy (WMS) has high signal-to-noise ratio (SNR) and sensitivity but it needs the complex calibration experiment and algorithm to infer the gas parameters. Therefore, in this research, the expressions of the harmonic signals, which contain the absorption information, are derived basing on the absorption and wavelength modulation spectroscopy. Then a measurement method for gas absolute absorbance is developed basing on the harmonic signals. The reliability of this method is validated by the mathematic simulation. To verify and to optimize this method, the transition of CO2 is selected to measure the absolute absorbance with various conditions in laboratory. And the experimental results are also compared with the theoretical calculation values and DAS. This research is expected to establish a high precision, wide application method to determine the absolute absorbance based on the harmonic signals, which combines the advantages of DAS and WMS in TDLAS, and makes WMS get rid of the calibration experiment in gas temperature and concentration detections.

可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）中直接吸收法通过测量绝对吸收强度来计算待测气体温度和浓度，其物理概念清晰，但容易受到颗粒物浓度等影响，而具有高信噪比和灵敏度的波长调制法则需要通过标定实验或复杂的算法来确定气体参数。为此，本项研究拟通过吸收光谱理论和波长调制理论，推导出蕴含分子吸收信息的谐波通项表达式，并在此基础上分析谐波信号与待测气体绝对吸收强度之间的关系，建立一种基于谐波信号的绝对吸收强度在线测量算法，并通过数值模拟技术对其可靠性进行证明；随后利用该算法在实验室条件下测量多种工况环境下CO2分子特征吸收谱线的绝对吸收强度，将其与理论计算值和直接吸收法测量结果进行比较，验证算法的精度并对其进行优化。项目预期可以结合TDLAS中直接吸收和波长调制的优点，建立一种高精度的、适用范围广的、基于谐波信号的绝对吸收强度在线测量算法，使得波长调制法无需通过标定实验即可实现气体温度和浓度的测量。

可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）中直接吸收法通过测量绝对吸收强度来计算待测气体温度和浓度，其物理概念清晰，但容易受到颗粒物浓度等影响，而具有高信噪比和灵敏度的波长调制法则需要通过标定实验或复杂的算法来确定气体参数。为此，本项研究拟通过吸收光谱理论和波长调制理论，推导出蕴含分子吸收信息的谐波通项表达式，并在此基础上分析谐波信号与待测气体分子绝对吸收强度之间的关系，建立一种基于谐波信号的绝对吸收强度在线测量算法，并通过数值模拟技术对其可靠性进行证明；随后利用该算法在实验室条件下利用上述算法在线测量多种工况环境下分子特征吸收谱线的绝对吸收强度。.基于吸收光谱理论和波长调制理论推导出蕴含气体吸收信息的各次谐波表达式，重点分析1~5次谐波与气体绝对吸收强度之间的关系特征，建立了基于低数次谐波信号的、具有高信噪比和灵敏度的绝对吸收强度在线测量算法。.以NH3分子在1531nm附近的谱线为例，利用本项目建立的算法对进行了数值分析，计算得到气体绝对吸收强度，并与理论计算值进行比对。对于谐波信号 所拟合的吸收率函数，在较大的调制系数下（约为2.0），仿真模拟结果与理论计算结果之间的相对误差不超过2%，进一步验证了本项目算法的可靠性与准确性。.利用实验室已有仪器设备，搭建、调试和优化TDLAS测量系统。在实验室中通过改变气体温度、压力、以及H2O、NH3和CO2分子浓度模拟多种工况环境。利用本项目建立的算法对测得的谐波信号进行处理，得到了各工况条件下H2O、NH3和CO2分子特征谱线的绝对吸收强度。实验结果表明，在较大的调制系数（约为2.0）下，实验结果与理论计算结果之间的相对误差不超过5%，进一步表明本项目建立的算法是准确可靠的，并且具有较高的信噪比。.本项目研究的算法结合了直接吸收法和波长调制法的优点，可以解决恶劣环境下直接吸收法难以应用的难题，同时还可以克服波长调制法需要通过标定实验或复杂的重构算法确定气体浓度或温度的缺点，进一步拓宽TDLAS在工业现场中的应用范围。