基于TDLAS技术适用于大量程范围的气体浓度标定算法

摘要

气体浓度检测一直是十分重要的工作,它与人类生活、环境变化和工业生产都息息相关,尤其是有毒有害气体的检测.随着光谱学的大力发展,可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS)已被广泛应用于工业生产、环保监测、气象探空等领域,它具有灵敏度高、响应速度快、实时监测以及优秀的便携性等优点,成为了气体检测的重要技术之一.众所周知,传感器在出厂前需要标定,标定的好坏关系到传感器的测量精度,影响传感器的实际测量.对基于TDLAS技术的直接光谱标定算法进行了研究,推导了适用于大量程范围下的气体浓度与透射率对数的关系并进行了简化处理,提出了1/c拟合标定算法,它是用气体浓度倒数与透射率对数倒数的关系来进行拟合标定的算法,再通过拟合标定曲线反推气体浓度与透射率对数的关系.搭建了TDLAS水汽检测平台,以Vaisala HMT377在线湿度检测仪的水汽浓度值为标准值,对0.7％ ～50％VOL的水汽浓度进行了标定,比较了直接拟合算法和1/c拟合算法的结果和相对误差.实验结果表明:采用直接拟合算法对气体浓度与透射率对数曲线拟合,一次函数、二次函数和五次函数拟合相关系数为0.9468,0.9967和0.9999,均方根误差为0.0312,0.0078和0.0016,最大相对误差超过100％,存在严重误差;采用1/c拟合标定算法,气体浓度倒数与透射率对数倒数的拟合曲线呈一次函数线型,与理论相符,相关系数为0.9996,均方根误差为0.4901,对拟合曲线进行反推得到气体浓度与透射率对数拟合曲线,其相关系数为0.9999,均方根误差为0.0015,整个浓度范围内最大相对误差不超过4％,说明1/c拟合算法的有效性,提高了测量精度,扩大了标定量程范围.