中红外谐波检测背景信号漂移的修正方法

摘要

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)由于具有高灵敏度、高分辨率、非侵入及实时检测等特点,被广泛应用于燃烧诊断、痕量气体监测、工业过程控制等领域中.波长调制光谱(WMS)的二次谐波(2 f)检测是最常用的TDLAS气体传感方法之一.激光器作为TDLAS-WMS在线检测系统中最核心的部件之一,在长期运行过程中会由于其工作温度等因素变化,引起输出激光波长漂移和2f背景信号基线变化,从而导致气体浓度反演的精确度和TDLAS-WMS在线检测系统的稳定性降低.针对上述问题,根据NO气体分子在中红外波段5.176～5.189μm的基频吸收特性,选择峰值发射波长位于5.184μm的分布反馈式连续波量子级联激光器(DFB-CW QCL),分析了输出激光中心波长对应的峰值采样点位置随采样时间变化的漂移规律和2f吸收及其背景信号的漂移特性.基于上述分析,提出了以2f信号平均峰峰值替代2f信号峰值建立气体浓度反演模型以修正2f背景信号基线漂移,并结合以信噪比最优为2f背景信号波长漂移修正原则的2 f背景信号漂移综合修正方法,以消除TDLAS-WMS在线检测系统长期连续检测过程中2 f背景信号漂移对气体浓度反演结果的不利影响.研究结果表明,2 f信号平均峰峰值随配置的N O样气浓度的增加而增大,这两者呈现较好的线性关系,其拟合曲线的线性拟合度R2达到了0.9999.在使用体积浓度为20×10-6 NO气体样品开展的连续60 min监测实验中,波长漂移修正后,反演浓度的标准偏差由波长漂移修正前的0.19×10-6下降到了0.07×10-6,反演浓度的最大相对误差由波长漂移修正前的6.30％ 下降到了3.85％,相对误差均方值由波长漂移修正前的24.39％ 下降到了9.99％.结果显示,该2 f背景信号漂移综合修正方法可以有效地抑制2 f背景信号漂移对气体浓度反演结果的影响,显著提高了TDLAS-WMS在线检测系统连续监测的灵敏度、精确度和稳定性.