一种基于TDLAS技术的湿度测量方法及系统与流程

一种基于tdlas技术的湿度测量方法及系统
技术领域
1.本发明实施例涉及湿度测量领域，具体涉及一种基于tdlas技术的湿度测量方法及系统。


背景技术：

2.印染、纺织领域在生产过程中定型、干燥工艺，其他相关领域也同样包含烘干工艺。传统的定型、干燥、烘干工艺采用的是湿敏电容传感器、湿敏电阻传感器、干湿氧传感器等进行湿度控制，通过监测设备工艺湿度参数及相关参数，反馈调节风机进行设备工艺湿度控制。但是传统湿度传感器本身存在响应慢、重复性差，在高湿、高温恶劣工况下存在问题，比如高温损毁、高湿饱和、长期漂移等，无法满足长期稳定的工业生产工艺监控需求，因此开展本发明创造，提出一种利用tdlas技术开展湿度测量，解决恶劣工况下湿度测量问题，达到控制湿度参数，保证产品质量，降低能耗的目的。


技术实现要素：

3.为此，本发明实施例提供一种基于tdlas技术的湿度测量方法及系统，以解决现有技术中传统湿度传感器本身存在响应慢、重复性差、精度低的问题。
4.为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：
5.在本发明的实施方式的一个方面中，提供了一种基于tdlas技术的湿度测量方法，包括：
6.根据待测环境湿度变化，采用不同波长进行湿度测量；
7.测量低湿度时，调节到具有吸收强的吸收峰的波长测量；测量高湿度时，调节到具有吸收弱的吸收峰的波长测量。
8.进一步地，第一波长具有吸收强的吸收峰，第二波长具有吸收弱的吸收峰；
9.根据所述湿度变化，切换使用所述第一波长或所述第二波长。
10.进一步地，所述湿度测量方法还包括：
11.设定扫描步长，发射初始波长激光进行扫描；
12.获取所述初始激光波长的吸收曲线，所述吸收曲线中吸收峰为水汽吸收峰，所述吸收曲线为固定长度的数组；
13.寻找所述数组的最小值，确定所述最小值位置，在所述吸收曲线数据中心附近的最小值被采信进入判断算法；
14.取所述最小值数据的前后各若干个数组值做直线拟合；
15.当所述最小值小于等于所述数组起始点数值的1/5时，启动波长切换，切换到所述第一波长。
16.进一步地，所述湿度测量方法还包括：
17.当所述最小值减去所述最小值对应的拟合值位置直线数据，小于等于所述数组起始点数值的1/100时，启动波长切换，切换到所述第二波长。
18.进一步地，所述第一波长和所述第二波长的选择范围为1368nm附近1nm、1369nm附近1nm或1370nm附近1nm内。
19.进一步地，所述湿度测量方法应用于印染、纺织领域的定型、干燥、烘干工艺中。
20.在本发明的实施方式的一个方面中，还提供了一种基于tdlas技术的湿度测量系统，包括：
21.检测主机；
22.探测气室，部分设置在待监测环境中，所述探测气室与所述检测主机电连接；
23.其中，检测主机包括用于生成不同波长激光的激光器、激光器波长调谐模块、激光器温度控制模块、激光器波长吸收模块及分别与所述激光器波长调谐模块、激光器温度控制模块、激光器波长吸收模块电连接的切换控制模块；
24.所述激光器的电路端与所述激光器波长调谐模块和所述激光器温度控制模块控制连接，所述激光器的光路端与所述探测气室连接；
25.所述探测气室与所述激光器波长吸收模块连接，所述激光器波长吸收模块与所述切换控制模块电连接；
26.所述切换控制模块根据待测环境湿度变化，控制所述激光器温度控制模块采用不同波长进行湿度测量；测量低湿度时，所述切换控制模块控制所述激光器温度控制模块调节到具有吸收强的吸收峰的波长测量；测量高湿度时，所述切换控制模块控制所述激光器温度控制模块调节到具有吸收弱的吸收峰的波长测量。
27.进一步地，湿度测量系统，还包括：
28.光环形器，所述激光器的光路端通过所述光环形器与所述探测气室连接，所述探测气室通过所述光环形器与所述激光器波长吸收模块连接。
29.进一步地，所述光环形器通过pin光电二极管与所述激光器波长吸收模块连接。
30.进一步地，所述探测器室为光纤耦合气室；
31.所述光纤耦合气室包括：依次连接的发射接收器件、镂空柱壳体和反射端。
32.本发明的实施方式具有如下优点：
33.本发明实施例公开了一种基于tdlas技术的湿度测量方法及系统，本方法提出了利用tdlas非接触式测量湿度方法解决了缺乏印染、纺织领域的定型、干燥、烘干工艺湿度测量的难题。其中测量系统中的光纤耦合气室配套的非接触式光学测量系统可以实现高温(20℃～350℃)、腐蚀、液滴、气溶胶内高温湿度测量，大大提高了器件环境适应性。同时，本方法设计的扫描波长自动切换算法，利用自动切换方法实现了激光器在0.5nm范围内的波长切换，在原有tdlas测量方法的基础上增加了1个量级的测量动态范围。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
35.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的
实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
36.图1为本发明的实施例提供的一种基于tdlas技术的湿度测量方法的流程示意图；
37.图2为本发明的实施例提供的正常湿度吸收下吸收峰情况的波形图；
38.图3为本发明的实施例提供的一种基于tdlas技术的湿度测量系统的结构示意图；
39.图4为本发明的实施例提供的测量系统中光环形器的连接示意图；
40.图5为本发明的实施例提供的测量系统中光纤耦合气室的结构示意图。
具体实施方式
41.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
43.实施例
44.传统湿度传感器本身存在响应慢、重复性差的问题，一般湿度传感器的响应时间为分钟级，多次测量重复性较差，一般重复性误差在3％～5％。同时湿敏电容传感器工作温度上限在150℃以下，无法在超过此温度下长期工作，因此无法解决各类涉及高温工艺过程控制的湿度测量难题。此外，干湿氧传感器通过氧化锆检测器测定烟道的湿氧含量和在分析仪中内置的氧传感器测定的经脱水后的干氧含量，根据标准换算方法可得到烟气湿度。在高温测量，灵敏度较差、重复性较差，最重要的是现场无法提供同一测点的标准干氧，测量准确性存在一定偏差。如果如遇到工艺样气温度猝然变冷，或含有大量水蒸气时锆管容易炸裂，且不宜测量含有还原性气体的高温烟气，大大限制其在定型、干燥、烘干工艺应用。
45.此外，各类湿度传感器均为接触式传感器，需要与现场待测工艺气氛接触，还会出现高湿饱和、长期漂移等，无法满足长期稳定的工业生产工艺监控需求。
46.因此，参考图1-5所示，本发明的实施例提供了一种基于tdlas技术的湿度测量方法，该方法包括：
47.根据待测环境湿度变化，采用不同波长进行湿度测量。
48.测量低湿度时，调节到具有吸收强的吸收峰的波长测量；测量高湿度时，调节到具有吸收弱的吸收峰的波长测量。
49.进一步地，第一波长具有吸收强的吸收峰，第二波长具有吸收弱的吸收峰；根据湿度变化，切换使用第一波长或第二波长。
50.具体地，激光器通过激光器波长调谐模块，依靠电流调节小幅度线性输出变化波长的激光器光束，依靠激光器温度控制模块改变激光器芯片控温，达到大幅调节波长的作用。本发明提出扫描波长自动切换算法，即根据一系列波长较为接近的不同水汽吸收峰测量湿度。测量低浓度时调节到吸收强的第一波长测量，测量高浓度时调节到吸收弱的第二波长测量，防止出现低湿测量误差大、高湿测量饱和的情况。
51.在本发明的实施例中，湿度测量方法还包括以下波长切换步骤：
52.设定扫描步长，发射初始波长激光进行扫描。
53.获取初始激光波长的吸收曲线，吸收曲线中吸收峰为水汽吸收峰，吸收曲线为固定长度的数组；具体地，自动判断和扫描切换的硬件控制方法和软件判断算法具体是：设定初始扫描步长、初始扫描波长变化范围，例如扫描点数为100个点，通过调整驱动电流间隔大小，然后根据扫描步长增加激光器波长调谐模块的激光器驱动电流，实现电流驱动激光器扫描波长变化为0.1nm～0.5nm，初始激光器扫描波长变化为0.1nm。通过激光器波长吸收模块光电放大后形成如图2所示激光波长吸收曲线图，图中x轴对应扫描步长形成的波长变化，单位为nm，y轴为激光器光强，单位为mw。其中吸收峰为水汽吸收峰，当水汽浓度过高时，吸收峰的深度会逐渐趋近于零(对应光全部吸收)。
54.寻找数组的最小值(即水汽吸收位置)，确定最小值位置，在吸收曲线数据中心附近(第50点
±
5个点)，说明吸收正常，测量数据可靠，可以进行后续算法。
55.取最小值数据的前后各若干个数组值做直线拟合；具体地，取该数据前n个与后n个数组值(通常n为≤1/10的数组长度)，采用最小二乘法进行直线拟合。
56.因为水汽吸收过强后，不仅出现吸收峰峰值提高，同时还出现吸收峰展宽现象，当出现此现象时，扫描范围若为0.1nm则出现无法完全扫描吸收峰曲线的现象，造成测量的严重偏差，需要调整扫描范围至0.3nm或0.5nm。该调整的算法具体是采用最小二乘法进行直线拟合，计算r2，其中r2＝ssr/sst＝1-sse/sst，sst＝ssr sse，sst(total sum of squares)为总平方和，ssr(regression sum of squares)为回归平方和，sse(error sum of squares)为残差平方和。当r2大于等于0.9时，说明直线拟合线性度很好，扫描范围可以覆盖吸收峰曲线，因此扫描范围不变。当r2小于0.9后，说明直线拟合度不好，出现吸收峰展宽现象，需要扩大扫描范围，从0.1nm扩展至0.2nm至0.5nm，直至出现r2大于等于0.9。当调整至0.5nm还出现r2无法大于等于0.9时，调整至第一波长。
57.判断完吸收峰展宽后，再判断吸收峰峰值。当吸收峰峰值的最小值(对应吸收后的光强)小于等于数组起始点数值(对应无吸收时扫描的初始光强)的1/5时，说明光强被水汽吸收过强，此时启动波长切换，切换到第一波长，减小吸收峰吸收强度。
58.可选的，湿度测量方法还包括：
59.当最小值减去最小值对应的拟合值位置直线数据(即吸收峰峰值光强)小于等于数组起始点数值的1/100时，说明吸收较弱，因此启动波长切换，切换到第二波长，增加吸收峰吸收强度。
60.进一步地，其余情况不切换。波长扫描切换的硬件控制方法根据实测记录的激光器不同波长下的温度值，调节激光器温度控制模块输出调节电压，控制激光器温度控制达到不同波长对应的温度值，实现自动切换。
61.具体地，第一波长和第二波长的选择范围为1368nm附近1nm、1369nm附近1nm或1370nm附近1nm内。具体地，波长选取的方法是：靠近1.3um或1.5um波长，因为上述波长为光通信波长附近，该波长芯片较远离光通信波长芯片成本低，同时两个或三个吸收峰波长相距不超过0.5nm，该调节范围受激光器工作温度限制。最后，两个或三个吸收峰的吸收强度差距至少为5倍，便于扩大湿度测量范围。围绕该方法选择，本测量方法选择1368nm附近1nm、1369nm附近1nm和1370nm附近1nm的水汽吸收峰，符合上述条件。
62.在本发明的实施例中，湿度测量方法应用于印染、纺织领域的定型、干燥、烘干工艺中。
63.如图3、4、5所示，根据本发明的另一实施例提供了一种基于tdlas技术的湿度测量系统，该系统包括：检测主机和探测气室。
64.具体地，探测气室部分设置在待监测环境中，探测气室与检测主机电连接。
65.其中，检测主机包括用于生成不同波长激光的激光器、激光器波长调谐模块、激光器温度控制模块、激光器波长吸收模块及分别与激光器波长调谐模块、激光器温度控制模块、激光器波长吸收模块电连接的切换控制模块。
66.激光器的电路端与激光器波长调谐模块和激光器温度控制模块控制连接，激光器的光路端与探测气室连接。
67.探测气室与激光器波长吸收模块连接，激光器波长吸收模块与切换控制模块电连接。
68.切换控制模块根据待测环境湿度变化，控制激光器温度控制模块采用不同波长进行湿度测量；测量低湿度时，切换控制模块控制激光器温度控制模块调节到具有吸收强的吸收峰的波长测量；测量高湿度时，切换控制模块控制激光器温度控制模块调节到具有吸收弱的吸收峰的波长测量。
69.如图3、4所示，湿度测量系统还包括：光环形器。
70.激光器的光路端通过光环形器与探测气室连接，探测气室通过光环形器与激光器波长吸收模块连接，光环形器通过pin光电二极管与激光器波长吸收模块连接。如图4所示，激光器1输出连接光环行器2的1端口，光环行器2的2端口连接光纤耦合气室3，光环形器2的3端口连接pin4的光纤输入端。
71.如图5所示，探测器室为光纤耦合气室；光纤耦合气室包括：依次连接的发射接收器件、镂空柱壳体和反射端。
72.具体地，气室采用非接触式测量设计，通过耐高温隔离光窗，可以让激光通过；侧面采用金属材料并开孔，便于测试气体流动；金属采用316l不锈钢等材料，防止环境腐蚀并表面进行处理，降低水气残留，避免烟气、气溶胶的干扰。
73.耐高温方面：气室的结构为不锈钢气室，光纤准直器、反射镜，其中准直器、反射镜采用玻璃材质，可以耐高温，不锈钢气室可以耐高温，关键点在于准直器、反射镜与气室的粘接部分，因此：
74.(1)不锈钢气室与光纤准直器、反射镜器件采用激光点焊、钎焊工艺代替胶粘工艺；
75.(2)光纤准直器内、反射镜内结构采用特种粘接剂，光纤与玻璃、玻璃与玻璃的接触粘接选择3410胶，工作温度可达到450℃，玻璃与金属接触粘接选择3410加硅胶辅助，提高光纤准直器和反射镜的耐温程度。
76.(3)光学器件与金属器件在高温下会有形变或释放应力，所以元器件必须在制作前，先进行3次以上高温处理，以释放应力；
77.(4)在高温环境下各材料的膨胀系数不高，经常会出现玻璃元件开裂等现象，所以在玻璃件连接时，先用与玻璃膨长系数一致的3410胶进行固定，且上胶过程中需在保证牢靠固定的前提下，留有空隙；
78.(5)金属与玻璃膨胀系数差异大，可在金属与玻璃之间的胶中加入一些金属粉，以让胶的粘度变大，膨胀系数也增大。
79.耐腐蚀方面：
80.(1)对于传统酸性、酸性盐雾腐蚀，光纤准直器表面镀增透膜后再镀sio2膜，反射镜表面镀增反膜后再镀sio2膜，用于增加耐腐蚀情况。
81.(2)对于hf特殊环境，采用含氟材料做光学系统。
82.最后，通过该方法测量的湿度值通过rs-232、rs-485、4-20ma多种形式连接工艺监测设备，便于工艺调整。
83.本发明的湿度测量方法及系统提出了非接触式tdlas用于印染、纺织领域的恶劣工况湿度测量方法，包括光路系统结构、电路控制结构、软件和硬件算法；
84.开展扫描波长自动切换算法，设定了可扫描的波长范围，自动判断和扫描切换的硬件控制方法和软件判断算法；提出了高湿情况下的半波扫描硬件控制算法和软件判断算法；其中波长选择的方法、软件判断的临界点可根据实际优化；
85.设计了耐高温抗腐蚀光纤—光纤耦合气室结构，加强了探头耐腐蚀、耐高温的环境适应性特性，其中粘接剂材料、工艺处理方法可根据实际优化。
86.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明做了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。