基于算法融合的全量程高精度激光CH4传感器

作     者：刘云龙 殷松峰 程跃 邹翔 Liu Yunlong;Yin Songfeng;Cheng Yue;Zou Xiang

作者机构：安徽建筑大学电子与信息工程学院 清华大学合肥公共安全研究院 合肥清芯传感科技有限公司 

出 版 物：《激光与光电子学进展》 (Laser & Optoelectronics Progress)

年 卷 期：2024年第61卷第17期

页      面：400-409页

核心收录：

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0803[工学-光学工程] 

基　　金：国家重点研发计划课题(2023YFC3010002) 安徽省重点研究与开发计划(2023g07020001) 

主　　题：激光CH4传感器 直接吸收光谱 波长调制光谱 隶属度函数 

摘      要：为实现对CH4气体的全量程、高精度测量，研发了一种基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术、融合波长调制光谱一次谐波归一化二次谐波（WMS-2f/1f）技术和直接吸收光谱（DAS）技术的全量程激光CH4传感器。该传感器采用中心波长为1653.72 nm的分布式反馈激光器作为探测光源，通过微控制单元主控芯片实现对CH4体积分数的实时反演，提出一种基于模糊控制S型隶属度函数的波长调制光谱和直接吸收光谱的气体体积分数反演数据融合算法。通过对10台传感器进行最小均方根误差（RMSE）实验测试，确定了最优模糊区间为0.024～0.038。经比较，该算法相较于传统全量程测量方法有效减小了系统的均方根误差。研究结果表明，传感器全量程测试的相对误差范围为-5.28%～3.67%，表明其对于全量程测量具有较高的精度。利用3×10-42f/1f测量信号评估得到传感器检测下限为3.04×10-5，结合长度为0.07 m的光程，1 m光程内最低可检测的积分气体体积分数为2.13×10-6。对体积分数为0.01的气体长时间测量并统计其反演体积分数的高斯分布，统计最大值范围为0.997×10-2～1.002×10-2，高斯拟合曲线半峰半宽为1.43×10-4。