基于可调谐半导体激光吸收光谱气体检测仪的数据采集与实验分析

　　0　引　言

　　目前用于检测气体浓度的技术多种多样,主要分为非光学法和光学法两类。前者有电化学法、气相色谱法等。它们的主要的不足之处是不稳定,必须通过采样和预处理才能进行检测,从而使系统测量的准确性和实时性降低,干扰成分多,有时根本无法排除交叉干扰,无法做到在线监测,同时系统维护工作量大。后者是利用光与气体分子相互作用机理来进行探测,能够实现准确测量以及在线检测,系统稳定,并且维护工作量小。作为目前比较流行的光谱检测技术,TDLAS技术具有非侵入式测量的特有优势,目前日益广泛地应用于测量污染物的浓度、燃烧系统的温度参数和高速气流流速[1—5]等领域。随着操作系统技术的发展,先后出现了多线程程序设计、分时系统等许多技术,提高了系统运行效率。多线程技术的引入不但可以挖掘潜在的CUP空闲时间,而且提高应用程序的反应速度,其优点是在多个任务需要同时完成数据量巨大的程序中反映尤为突出。工业气体在线检测系统中不仅需要实时连续,长时间的数据采集;在采集的同时,需要对数据进行适当数字信号处理,还必须动态显示检测的光谱信号曲线及浓度曲线;在采集过程中对异常情况发生必须做出相应的处理,同时根据检测的浓度数据要对系统做适当的控制与报警;为了实现很好的人机交互与数据存储传输也要求很高的运行速度与时间精度。本系统采用多线程技术和消息传递机制可有效同步完成不同任务,不受单个任务运行速度慢或者时间长而出现异常影响其他任务实时控制。通过采集数据分析,基于多线程和面向对象技术的气体检测系统能够满足工业生产过程中气体浓度的实时在线检测。

　　1　实验原理

　　根据Beer-Lambert定律,对于单一频率的激光,通过多次反射池后的光强为[6]

　　式中R为多次反射池反射面的反射率;n为反射次数;S(T)表示分子在温度T波长处的吸收线强;gL(ν)为气体吸收线型(在大气压下为Lorenzian线型);P为待测气体的压力;c为分子数浓度;L为经过多次反射池多次反射后的总光程。一般情况下,气体在近红外吸收很小,即S(T)gL(v)PcL 0·05条件很容易满足。将(1)式进行傅里叶展开,二次谐波信号和浓度成正比,即

　　吸收光谱的线强S(T)是温度的函数,它反映了吸收和受激发射的综合效果,与光学跃迁概率和处于低能态和高能态的分子数目有关。光学跃迁概率是一个基本的参数,与温度无关,但是,低能态和高能态的分子数是温度的函数。在HITRAN2004数据库中不同频率ν[cm-1]处的线强是不同的,分子在温度T的吸收线强可以用在参考温度T0下测得的线强S(T0)表示,即线强的温度函数可表示为