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原文传递基于二次谐波干涉包络补偿的气体浓度检测方法和系统

专利名称：	基于二次谐波干涉包络补偿的气体浓度检测方法和系统
摘要：	本发明公开了一种基于二次谐波干涉包络补偿的气体浓度检测方法和系统，该方法通过对激光干涉机理的深入研究，通过优化调制度的方法减小干涉背景二次谐波信号的幅值，从二次谐波干涉的来源侧探寻干涉包络的数学描述，进而实现谐波峰值的包络逆向补偿，使得二次谐波信号更加稳定，从而提高氧气浓度检测的精度，是提升玻璃药瓶浓度检测稳定性的有力技术手段。该技术能从根源上抑制光束干涉，大大提高了氧气浓度检测精度和系统的稳定度。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖南;43
申请人：	中南大学
发明人：	罗旗舞;阳春华;桂卫华;宋操;周灿
专利状态：	有效
申请日期：	2019-06-06T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-23T00:00:00+0800
申请号：	CN201910489485.8
公开号：	CN110160976A
代理机构：	长沙市融智专利事务所(普通合伙)
代理人：	姚瑶
分类号：	G01N21/31(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	410083 湖南省长沙市岳麓区麓山南路932号
主权项：	1.一种基于二次谐波干涉包络补偿的气体浓度检测方法，其特征在于：包括如下步骤： S1：采集激光穿透玻璃瓶后的透射光强，并根据透射光强转换为电流信号；其中，玻璃瓶内充入了待检测的残余气体，激光从玻璃瓶一侧照射并穿透玻璃瓶； S2：提取所述电流信号中的二次谐波信号； S3：调节电流调制幅度，并根据随电流调制幅度变化的电流信号中的二次谐波信号确定最优电流调制幅度；其中，最优电流调制幅度为二次谐波信号中吸收气体二次谐波信号与干涉背景条纹二次谐波信号的幅值之比最大时对应的电流调制幅度； S4：获取最优电流调制幅度下电流信号的二次谐波信号的波形，并根据波形消除电流信号的二次谐波信号中畸变波动、快速正弦波动、缓慢正弦波动；其中，若二次谐波信号的波形存在畸变波形、快速正弦波动、缓慢正弦波动，则消除相应波动； S5：根据步骤S4最后得到二次谐波信号计算出残余气体的浓度；式中，N为残余气体的浓度，i2fmax为步骤S4最后得到二次谐波信号的峰值，i0(t)为激光的注入电流，L为激光穿透玻璃药瓶的光程，S2为二次谐波项系数，t表示时间。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S4中若存在畸变波形，消除电流信号的二次谐波信号中畸变波动的过程为：使用楔形光电检测器；所述楔形光电检测器用于采集激光穿透玻璃瓶后的透射光强。 3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S4中若存在快速正弦波动，消除电流信号的二次谐波信号中快速正弦波动过程为：增设低通滤波器；所述低通滤波器用于使吸收信号的二次谐波信号通过，同时滤除干涉背景条纹的高频信号。 4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S4中若存在缓慢正弦波动，通过分解干涉包络消除电流信号的二次谐波信号中缓慢正弦波动，过程如下： A：获取电流信号的二次谐波信号的极大值和极小值，再使用三次样条曲线分别对极大值点、极小值点进行插值拟合得到上包络线、下包络线；其中，初始的电流信号的二次谐波信号为最优调制幅度下电流信号的二次谐波信号； B：计算上包络线、下包络线的平均值，再将电流信号的二次谐波信号减去所述平均值得到新的二次谐波信号； C：判断新的二次谐波信号中是否还存在极大值和极小值，若有，返回步骤A；若没有极大值和极小值，则执行步骤D；其中，没有极大值和极小值的新的二次谐波信号为第i次的二次谐波信号； D：将初始的电流信号的二次谐波信号减去第i次的二次谐波信号得到一个残余信号； E：判断残余信号是否为趋势项，所述趋势项为单调递增或单调递减，若不是趋势项，将残余信号作为新的二次谐波信号并返回步骤A；若是趋势项，前一个残余信号为消除了缓慢正弦波动的二次谐波信号；其中，若第k个残余信号Rk为趋势项时，第k-1个残余信号Rk-1为消除了缓慢正弦波动的二次谐波信号。 5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2中提取的电流信号中的二次谐波信号是电流信号与高频信号的二倍频信号相乘得到的，如下所示：式中，i2f(t)为电流信号中的二次谐波信号，i(t)为电流信号，cos(2ωt)为高频信号的二倍频信号，ω为高频信号的频率，t为时间，iB2f为干涉背景条纹的二次谐波信号；iA2f为吸收气体的二次谐波信号。 6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：透射光强与电流信号成线性关系，关系如下： I(t)＝I0·T·(1-αNL) i(t)＝i0·T·(1-αNL) 式中，I(t)为透射光强，I0为激光入射光强，T为透射率，α为吸收系数，N为氧气浓度； i(t)为电流信号，i0为激光器的注入电流。 7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述待检测的残余气体为残余氧气。 8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述玻璃瓶为玻璃药瓶。 9.一种基于权利要求1-8任一项所述方法的检测系统，其特征在于：包括信号处理模块、激光发射模块以及玻璃瓶；其中，所述玻璃瓶内充入了待检测的残余气体，激光发射模块发射激光，激光从玻璃瓶一侧照射并穿透玻璃瓶；所述信号处理模块至少包括光电检测器、信号解调模块和谐波分析模块，其中，光电检测器设于玻璃瓶一侧，用于采集激光穿透玻璃瓶后的透射光强并转化为电流信号；信号解调模块与光电检测器连接，用于获取电流信号中的二次谐波信号，谐波分析模块与信号解调模块连接，用于根据二次谐波信号获取残余气体的浓度。 10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：所述信号处理模块还包括与所述激光发射模块、信号解调模块均连接信号产生模块，所述信号产生模块用于输出驱动信号给激光发射模块以及用于输出高频信号二倍频信号给信号解调模块。
所属类别：	发明专利