CN101387607B - 红外激光光谱的氧气原位检测方法与装置 - Google Patents
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Abstract
一种红外激光光谱的氧气原位检测方法与装置，属气体检测。本发明包括主机箱、现场检测模块和屏蔽传输电缆，其中主机箱上安装有电源开关、数据传输接口、液晶显示屏、电源插座、风扇、第一电缆接口，主机箱内有数据采集处理和控制模块、直流稳压模块、信号滤波与放大电路、温度控制模块、电流控制模块、锁相放大器、调制信号发生器；现场检测模块包括第二电缆接口、校准池槽、出气孔快插接口、进气孔快插接口、第一球面反射镜、第二球面反射镜、半导体激光器、石英窗片、钨钢支杆、副镜底座、副镜、主镜、主镜底座、密封罩、光电探测器。本发明检测方法结合了半导体激光吸收光谱、波长调制与谐波检测、开放式长光程反射吸收池。本发明检测灵敏。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外激光光谱的氧气原位检测方法与装置，属于气体检测技术领域。
背景技术
目前普遍使用的氧监测仪器主要基于电化学和氧化物及半导体技术的氧气传感器，这些仪器虽然有足够的检测灵敏度，但普遍具有响应时间长、易中毒以及易受其它气体干扰等缺点，仪器维护量大。如常用的二氧化锆极限型氧传感器需要较高的工作温度(600℃)，在易燃易爆环境中应用会引入极大的安全隐患；迦伐尼式氧传感器易受二氧化碳气体的干扰，且寿命较短。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种实时在线基于红外激光光谱的氧气原位检测方法与装置。
一种红外激光光谱的氧气浓度原位检测方法，将在上位机设置的参数信号经过数据采集处理和控制模块得到参数控制信号，将参数控制信号经过调制信号发生电路得到锯齿波信号、正弦波信号和触发信号，将锯齿波信号和正弦波信号经过电流控制模块得到调制信号，将正弦波信号输出至锁相放大器作为参考信号，将触发信号经过数据采集处理和控制模块得到信号采集触发信号，温度控制模块输出激光器温度控制信号，将调制信号、温度控制信号通过屏蔽传输电缆输出至半导体激光器控制半导体激光器输出激光束；将激光束经第二球面反射镜反射后通过通光孔内的石英窗片进入反射池，激光束在反射池内经过主镜和副镜多次往返反射后由同一通光孔内的石英窗片出射，将出射激光束经第一球面镜反射后通过校准池槽聚焦在光电探测器的光敏面上得到光电转换信号，将光电转换信号通过屏蔽电缆传输至信号滤波及放大电路，光电转换信号经过信号滤波及放大电路得到放大的检测信号，将放大的检测信号、所述正弦波信号输出至锁相放大器得到二次谐波信号，将二次谐波信号经过数据采集处理和控制模块得到反演气体浓度数据，将反演气体浓度数据输出至液晶显示屏显示，将反演气体浓度数据通过数据传输接口输出至上位机处理和存储。
一种基于红外激光光谱的氧气浓度原位检测方法的装置，该装置包括主机箱、现场检测模块和屏蔽传输电缆；主机箱上安装有电源开关、数据传输接口、液晶显示屏、电源插座、风扇、第一电缆接口，主机箱内有数据采集处理和控制模块、直流稳压模块、信号滤波与放大电路、温度控制模块、电流控制模块、锁相放大器、调制信号发生器，其中电源开关与直流稳压模块的一个输入端连接，数据传输接口与数据采集处理和控制模块连接，直流稳压模块的另一个输入端与电源插座连接，直流稳压模块的输出端分别与液晶显示屏、数据采集处理和控制模块、风扇、信号滤波与放大电路、温度控制模块、电流控制模块、锁相放大器、调制信号发生器的输入端连接，数据采集处理和控制模块的两个输出端分别与液晶显示屏、温度控制模块的输入端连接，温度控制模块的输出端接第一电缆接口，数据采集处理和控制模块与调制信号发生器连接，调制信号发生电路的输出端与电流控制模块的输入端连接，电流控制模块的输出端与第一电缆接口连接，第一电缆接口与屏蔽传输电缆的一端连接，第一电缆接口与信号滤波与放大电路的输入端连接，信号滤波与放大电路的输出端与锁相放大器的输入端连接，锁相放大器的输出端与数据采集处理和控制模块的输入端连接；现场检测模块包括第二电缆接口、校准池槽、出气孔快插接口、进气孔快插接口、第一球面反射镜、第二球面反射镜、半导体激光器、石英窗片、钨钢支杆、副镜底座、副镜、主镜、主镜底座、密封罩、光电探测器，其中第二电缆接口与屏蔽传输电缆的另一端连接，第二电缆接口与半导体激光器和光电探测器连接，半导体激光器、第一球面反射镜、第二球面反射镜、光电探测器、校准池槽安装在现场检测模块上部的光学调整架上，并由密封罩密封在主镜底座的上表面，密封罩的上部设置出气孔快插接口和进气孔快插接口，主镜底座与副镜底座之间为反射吸收池，反射吸收池由两片相同的同轴球面镜即主镜和副镜构成，主镜安装在主镜底座的内表面上，副镜安装在副镜底座的内表面上，主镜底座和副镜底座由四根钨钢杆连接和支撑，主镜和主镜底座对应边缘开有通光小孔，主镜底座小孔内装有石英玻璃窗片，主镜底座四角开有固定孔。
本发明为一种红外激光光谱的氧气原位检测方法与装置，利用近红外可调谐半导体激光吸收光谱技术、波长调制光谱和二次谐波检测技术、开放式长光程多次反射池技术实现氧浓度的原位测量，利用可调谐半导体激光吸收光谱技术高分辨特点消除了环境中其它气体成分的干扰，从技术上克服了传统仪器响应速度慢、易受干扰、易中毒、工作温度高等缺点。系统适合于开放空间及密闭装置内氧浓度的快速、灵敏测量。
附图说明
图1：本发明整体结构图；
图2：本发明控制流程图。
具体实施方式
如图1/图2所示，一种红外激光光谱的氧气浓度原位检测方法，将在上位机设置的参数信号经过数据采集处理和控制模块104得到参数控制信号，将参数控制信号经过调制信号发生电路113得到锯齿波信号、正弦波信号和触发信号，将锯齿波信号和正弦波信号经过电流控制模块得到调制信号，将正弦波信号输出至锁相放大器112作为参考信号，将触发信号输出至数据采集处理和控制模 块104得到信号采集触发信号，温度控制模块110输出激光器温度控制信号，将调制信号、温度控制信号通过屏蔽传输电缆3输出至半导体激光器207控制半导体激光器207输出激光束；将激光束经第二球面反射镜206反射后通过通光孔内的石英窗片208进入反射池，激光束在反射池内经过主镜212和副镜211多次往返反射后由同一通光孔内的石英窗片208出射，将出射激光束经第一球面镜205反射后通过校准池槽202聚焦在光电探测器216的光敏面上得到光电转换信号，将光电转换信号通过屏蔽电缆3传输至信号滤波及放大电路108，光电转换信号经过信号滤波及放大电路108得到一次谐波信号，将放大的检测信号、所述正弦波信号输出至锁相放大器得到二次谐波信号，将二次谐波信号经过数据采集处理和控制模块104得到反演信号，将反演信号输出至液晶显示屏103显示，将反演信号通过数据传输接口102输出至上位机处理和存储。
将校准池槽202内充入浓度为99.9％的氮气检测得到背景谱；然后再将校准池槽202换上已知浓度氧气检测得到检测谱，检测谱减去背景谱即得校准谱；将校准谱依次通过屏蔽传输电缆3、信号滤波与放大电路108、锁相放大器112输出至数据采集处理和控制模块104保存。
一种红外激光光谱的氧气浓度原位检测方法的装置，该装置包括主机箱1、现场检测模块2和屏蔽传输电缆3；主机箱1上安装有电源开关101、数据传输接口102、液晶显示屏103、电源插座106、风扇107、第一电缆接口109，主机箱1内有数据采集处理和控制模块104、直流稳压模块105、信号滤波与放大电路108、温度控制模块110、电流控制模块111、锁相放大器112、调制信号发生器113，其中电源开关101与直流稳压模块105的一个输入端连接，数据传输接口102与数据采集处理和控制模块104连接，直流稳压模块(105)的另一个输入端与电源插座106连接，直流稳压模块105的输出端分别与液晶显示屏103、数据采集处理和控制模块104、风扇107、信号滤波与放大电路108、温度控制模块110、电流控制模块111、锁相放大器112、调制信号发生器(113)的输入端连接，数据采集处理和控制模块104的两个输出端分别与液晶显示屏103、温度控制模块110的输入端连接，温度控制模块110的输出端连接第一电缆接口109，数据采集处理和控制模块104与调制信号发生器113的连接，调制信号发生电路113的输出端与电流控制模块111的输入端连接，电流控制模块111的输出端与第一电缆接口109连接，第一电缆接口109与屏蔽传输电缆3的一端连接，第一电缆接口109与信号滤波与放大电路108的输入端连接，信号滤波与放大电路108的输出端与锁相放大器112的输入端连接，锁相放大器112的输出端与数据采集处理和控制模块104的输入端连接；现场检测模块2包括第二电缆接口201、校准池槽202、出气孔快插接口203、进气孔快插接口204、第一球面反射镜205、第二球面反射镜206、半导体激光器207、石英窗片208、钨钢支杆209、副镜底座210、副镜211、主镜212、主镜底座213、密封罩215、光电探测器216，其中第二电缆接口201与屏蔽传输电缆3的另一端连接，第二电缆接口201与半导体激光器207和光电探测器216连接，半导体激光器207、第一球面反射镜205、第二球面反射镜206、光电探测器216、校准池槽202安装在现场检测模块2上部的光学调整架上，并由密封罩215密封在主镜底座213的上表面，密封罩215的上部设置出气孔快插接口203和进气孔快插接口204，主镜底座213与副镜底座210之间为反射吸收池，反射吸收池采用Herriott型结构，由两片相同的同轴球面镜即主镜212和副镜211构成，主镜212安装在主镜底座213的内表面上，副镜安装在副镜底座210的上表面上，主镜底座213和副镜底座210由四根钨钢杆209连接和支撑，主镜和主镜底座对应边缘开有通光小孔，主镜底座小孔内装有石英玻璃窗片208，主镜底座四角开有固定孔214。
所述的一种红外激光光谱的氧气浓度原位检测装置，现场检测模块2的密封罩215内充入惰性气体。
本发明采用中心波长为762nm的近红外VCSEL半导体激光器207作为O2的检测激光光源，激光器温度控制模块110和电流控制模块111通过激光温度、电流控制将激光器输出中心波长调谐到762nm附近O2的一条吸收线中心，调制信号发生电路113产生的100Hz锯齿波信号叠加在激光器的驱动电流上使激光波长缓慢扫描过O2气体的吸收线，调制信号发生电路113同时产生10KHz正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行调制。激光器电流和温度控制模块通过屏蔽传输电缆3与现场检测单元2联接，并作用于现场检测单元内的VCSEL半导体激光器207上，激光器输出光束由第二球面镜206耦合进光学多次反射吸收池内；多次反射池采用Herriott型结构，由两个相同的球面镜组成，分别称为主镜212和副镜211，主镜212和副镜211都安装在不锈钢底座上，多次反射池腔镜由四根钨钢支杆209连接和支撑。主镜212和主镜底座213的对应边缘上开有圆形通光小孔，底座通光小孔内装有石英窗片208，主镜底座213将现场检测单元2的上部与反射吸收池分隔开；激光束通经过小孔进入多次反射池，光束在池内经过往返反射后由同一通光小孔出射；入射和出射光束有不同的传输方向，出射光束经第一球面镜205和校准池槽202聚焦在光电探测器216的光敏面上；光电信号同样经过屏蔽电缆3传输到系统主机。激光器和反射镜均安装在三维调整架上以调整光束的传输方向和光束在池内的反射。在主机内，首先由滤波放大电路108对光电信号进行处理，然后送到锁相放大器112进行二次谐波检测，数据采集、处理和控制模块104对二次谐波信号进行A/D转换和数字采集，谐波信号进行多次累加平均后得到一条测量谱用于气体浓度的反演，测量数据显示在主机箱上的液晶显示屏103上，主机单元通过数据接口102与上位机通信，实现检测数据的传输与系统参数设置。
系统浓度反演采用标准气体谱浓度校准方法。现场检测模块内置有校准池槽202，先置入的内充入高纯氮气的圆柱形吸收池作为零气校准池，检测谱作为背景谱；然后再换上内充入已知浓度标准O2气体的校准池，检测谱扣除背景谱即得校准谱。由气体吸收池和校准池内的光程比即得校准谱的等效浓度，保存校准谱用于气体浓度反演，测量谱对校准谱作最小二乘拟合即得测量气体浓度。主镜底座上有四个固定孔214，可以将现场检测单元固定在管道或腔体壁上，光 学反射池插入内部以实现对密闭环境检测的需要。现场检测模块的上部由密封罩215封闭，构成独立于多次反射吸收池的密封腔，在对密闭空间的氧浓度测量时，可以充入惰性气体(如N2气)，以防止外部环境氧气对检测的影响。
Claims (2)
1.一种红外激光光谱的氧气浓度原位检测装置，其特征在于该装置包括主机箱(1)、现场检测模块(2)和屏蔽传输电缆(3)；其中主机箱(1)上安装有电源开关(101)、数据传输接口(102)、液晶显示屏(103)、电源插座(106)、风扇(107)、第一电缆接口(109)，主机箱(1)内有数据采集处理和控制模块(104)、直流稳压模块(105)、信号滤波与放大电路(108)、温度控制模块(110)、电流控制模块(111)、锁相放大器(112)、调制信号发生器(113)，其中电源开关(101)与直流稳压模块(105)的一个输入端连接，数据传输接口(102)与数据采集处理和控制模块(104)连接，直流稳压模块(105)的另一个输入端与电源插座(106)连接，直流稳压模块(105)的输出端分别与液晶显示屏(103)、数据采集处理和控制模块(104)、风扇(107)、信号滤波与放大电路(108)、温度控制模块(110)、电流控制模块(111)、锁相放大器(112)、调制信号发生器(113)的输入端连接，数据采集处理和控制模块(104)的两个输出端分别与液晶显示屏(103)、温度控制模块(110)的输入端连接，温度控制模块(110)的输出端连接第一电缆接口(109)，数据采集处理和控制模块(104)与调制信号发生器(113)连接，调制信号发生电路(113)的输出端与电流控制模块(111)的输入端连接，电流控制模块(111)的输出端与第一电缆接口(109)连接，第一电缆接口(109)与屏蔽传输电缆(3)的一端连接，第一电缆接口(109)与信号滤波与放大电路(108)的输入端连接，信号滤波与放大电路(108)的输出端与锁相放大器(112)的输入端连接，锁相放大器(112)的输出端与数据采集处理和控制模块(104)的输入端连接；现场检测模块(2)包括第二电缆接口(201)、校准池槽(202)、出气孔快插接口(203)、进气孔快插接口(204)、第一球面反射镜(205)、第二球面反射镜(206)、半导体激光器(207)、石英窗片(208)、钨钢支杆(209)、副镜底座(210)、副镜(211)、主镜(212)、主镜底座(213)、密封罩(215)、光电探测器(216)，其中第二电缆接口(201)与屏蔽传输电缆(3)的另一端连接，第二电缆接口(201)与半导体激光器(207)和光电探测器(216)连接，半导体激光器(207)、第一球面反射镜(205)、第二球面反射镜(206)、光电探测器(216)、校准池槽(202)安装在现场检测模块(2)上部的光学调整架上，并由密封罩(215)密封在主镜底座(213)的上表面，密封罩(215)的上部设置出气孔快插接口(203)和进气孔快插接口(204)，主镜底座(213)与副镜底座(210)之间为反射吸收池，反射吸收池由两片相同的同轴球面镜即主镜(212)和副镜(211)构成，主镜(212)安装在主镜底座(213)的下表面上，副镜安装在副镜底座(210)的内表面上，主镜底座(213)和副镜底座(210)由四根钨钢杆(209)连接和支撑，主镜和主镜底座对应边缘开有通光小孔，主镜底座小孔内装有石英玻璃窗片(208)，主镜底座四角开有固定孔(214)。
2.根据权利要求1所述的一种红外激光光谱的氧气浓度原位检测装置，其特征在于现场检测模块(2)的密封罩(215)内充入惰性气体。
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