CN103424369A - 一种光纤结构污染气体差分吸收光谱测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光纤结构污染气体差分吸收光谱测量系统，其特征在于，包括：氙灯光源置于灯座中，其所发出的光束被耦合到连接灯座的发射光纤，发射光纤的第一束光纤连接第一光开关，第二束光纤连接发射接收望远镜；第二光束穿过光开关后作为本底光谱进入接收光纤，第一光束经发射接收望远镜的平面镜反射后进行发射、再经角反射器反射后由发射接收望远镜接收并耦合到接收光纤；接收光纤穿过第二光开关和样品盒后与光谱仪相连，接收光纤将第一光束和第二光束进行耦合后形成第三光束，第三光束被光谱仪接收，光谱仪对第三光束的光谱进行监测；数据处理系统根据监测的结果获得污染气体含量信息。本系统易于拆装，结构紧凑，光谱利用率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种污染气体监测仪，具体是指光纤结构污染气体差分吸收光谱测量系统。
背景技术
随着社会经济的迅速发展，自然过程尤其是人类活动排放的大量污染气体进入了人们赖以生存的大气圈，严重威胁生态系统及人类健康。差分吸收光谱技术（DOAS）利用光在大气中传输时各种气体分子在不同波段对光有不同的特征吸收，实现对大气中痕量气体进行精确测量。具有测量范围广、灵敏度高，非接触连续在线监测的优点，被广泛地应用于痕量气体监测以及污染源在线监测领域。
现有技术中，常用的DOAS系统结构较为复杂，光线多次折返，并受镜面遮挡，光谱利用率不高。校准时需使用机械挡板。
发明内容
本发明提供一种光纤结构污染气体差分吸收光谱测量系统，易于拆装，结构紧凑，光谱利用率高。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种光纤结构污染气体差分吸收光谱测量系统，其包括：
氙灯光源、发射接收望远镜、角反射器、光谱仪、数据处理系统、发射光纤、接收光纤、第一光开关、第二光开关和样品盒，其中：
所述氙灯光源置于灯座中，发射光纤端口连接至灯座出光口处，光源所发出的光束被耦合到所述发射光纤，所述发射光纤至少被分为：第一束光纤和第二束光纤，所述第一束光纤连接所述第一光开关，所述第二束光纤连接所述发射接收望远镜；
经过所述第一束光纤的发出光束为第二光束，经过所述第二束光纤的发出光束为第一光束；
第二光束穿过光开关后作为本底光谱进入接收光纤，第一光束经所述发射接收望远镜的平面镜反射后进行发射、再经角反射器反射后由所述发射接收望远镜接收并耦合到所述接收光纤；
所述接收光纤穿过第二光开关和样品盒后与光谱仪相连，所述接收光纤将所述第一光束和第二光束进行耦合后形成第三光束，所述第三光束被所述光谱仪接收，所述光谱仪对所述第三光束的光谱进行监测；
所述数据处理系统根据所述监测的结果获得污染气体含量信息。
优选地，所述发射接收望远镜包括平面镜和椭球面镜，所述平面镜与椭球面镜为一体结构，通过支架与望远镜边缘连接并固定于中心轴位置。其中平面镜的平面与所述发射接收望远镜的中心轴夹角为45°，椭球面镜的中心轴与望远镜的中心轴夹角为0°。
优选地，所述发射光纤被分为第一束光纤和第二束光纤，所述第一束光纤和第二束光纤的分束比为1: 9，所述发射光纤的公共端与氙灯光源相连。
优选地，所述接收光纤被分为：第三束光纤和第四束光纤，所述第三束光纤和第四束光纤的分束比为1: 1，所述接收光纤的第三束光纤穿过样品盒和第二光开关连接所述发射接收望远镜；所述接收光纤的第四束光纤连接所述第一光开关，所述第四束光纤接收经过所述发射光纤传入的本底光谱，所述接收光纤公共端与光谱仪相连。
优选地，所述样品盒在校准时注入样品气体。
通过实施以上技术方案，具有以下技术效果：本发明提供的光纤结构污染气体差分吸收光谱测量系统，其光纤连接易于拆装，结构紧凑。光开关控制，校准无需机械遮挡板，光束经一次反射后直接发射，有效避免了现有技术中的DOAS系统光束传输过程中镜面遮挡造成的损耗，从而提高了光谱利用率。
附图说明
图1为本发明提供的光纤结构污染气体差分吸收光谱测量系统的结构原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种光纤结构污染气体差分吸收光谱测量系统，如图1所示，其包括氙灯光源11、发射接收望远镜、角反射器24、光谱仪41、数据处理系统51，该光纤结构污染气体差分吸收光谱测量系统还包括发射光纤31、接收光纤32、第一光开关33、第二光开关34和样品盒35。所述光谱测量系统中的氙灯光源11置于灯座中，发射光纤的端口连接至灯座出光口处，光源所发出的光束被耦合到发射光纤31，发射光纤31至少被分为：第一束光纤和第二束光纤，所述第一束光纤连接所述第一光开关33，所述第二束光纤连接所述发射接收望远镜；
该氙灯光源11所发出的光束被该第一束光纤和第二束光纤分为两部分，其中：经过第二束光纤发射出来的光束为第一光束，该第一光束导入接收发射望远镜的入光口21，经过第一束光纤发射出来的光束为第二光束，该第二光束穿过第一光开关33后作为本底光谱进入接收光纤32，导入所述发射接收望远镜的入光口21中的第一光束经望远镜的平面镜22反射后进行发射、再经该望远镜的角反射器24反射后，再经过望远镜的剖面反射镜23后再由望远镜的椭球面镜25接收并耦合到接收光纤32，接收光纤32连接所述望远镜，接收光纤32穿过第二光开关34和样品盒35后与光谱仪41相连，所述接收光纤32将所述第一光束和第二光束进行耦合后形成第三光束，所述第三光束被所述光谱仪41接收，所述光谱仪41对所述第三光束的光谱进行监测；在光谱仪41完成所述第三光束的光谱监测后，所述数据处理系统51根据所述监测的结果获得污染气体含量信息。所述数据处理系统51连接所述光谱仪41。
在上述实施例中，更为具体的，所述望远镜的平面镜22与椭球面镜25为一体结构，通过支架与望远镜边缘连接并固定于中心轴位置。其中平面镜22的平面与望远镜23的中心轴夹角为45°，椭球面镜中心轴与望远镜中心轴夹角为0°。现有技术中的望远镜的平面镜与椭球面镜是分离的两部分，平面镜将光反射到望远镜抛物面镜面后，射入大气。而在本发明的实施例中，光束经该平面镜直接射入大气，使得平面镜与椭球面镜合为一体化，简化结构，减小光强损耗。
在上述实施例中，优选地，所述发射光纤31被分为第一束光纤和第二束光纤，所述第一束光纤和第二束光纤的分束比为1: 9，所述发射光纤31的公共端与氙灯光源11相连。在其他实施例中，所述第一束光纤和第二束光纤也可以为其他的分束比。发射光纤中两分光纤分束比为1:9是因为测灯谱不需要很强的光，有一定的分光即可，而进入望远镜发射的部分光束强度应足够大，以保证测量结果的有效性。
在上述实施例中，优选地，所述接收光纤32为一分二光纤，包括第三束光束和第四束光纤，该第三束光束和第四束光纤得分束比为1: 1，所述接收光纤32的第三束光纤穿过样品盒35和第二光开关34连接发射接收望远镜，接收光纤32的第四束光纤连接第一光开关33，接收发射光纤31传入的本底光谱，接收光纤32公共端与光谱仪41相连。接收光纤32为一分二光纤可以简化器件结构，可通过光开关简单且方便的控制本底光谱与实测光谱的切换，而在现有技术提供的DOAS系统中，要实现这本底光谱与实测光谱的切换，需要使用机械挡板，或改变器件和光路结构。接收光纤中两份光纤分束比为1:1，可以避免光强二次损耗。
在上述实施例中，优选地，所述样品盒35只有在校准时注入样品气体。
测量开始，第一光开关33开启，第二光开关34关闭，氙灯光源11出射光束的1/10经发射光纤31、第一光开关33、接收光纤32引入光谱仪41，得到氙灯本底光谱。氙灯光源11关闭，第一光开关33关闭，第二光开关34开启，由光谱仪41获得背景谱。光开关33关闭，第二光开关34开启，氙灯光源11出射光束的9/10经望远镜21、22、23及角反射器14作用后，包含有污染气体吸收光谱信息的光束被耦合进接收光纤32，进而导入光谱仪41完成光谱分析，最后结合灯谱、背景谱，通过数据处理系统51获得污染气体含量信息，从而完成整个测量过程。
上述实施例提供的光纤结构污染气体差分吸收光谱测量系统，光纤连接易于拆装，结构紧凑。光开关控制，校准无需机械遮挡板，进行背景谱、灯谱测量及校准时无需调整硬件结构，通过光开关可自动控制。光束经一次反射后直接发射，有效避免了现有技术中的DOAS系统光束传输过程中镜面遮挡造成的损耗，从而提高了光谱利用率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种光纤结构污染气体差分吸收光谱测量系统，其特征在于，包括：
氙灯光源、发射接收望远镜、角反射器、光谱仪、数据处理系统、发射光纤、接收光纤、第一光开关、第二光开关和样品盒，其中：
所述氙灯光源置于灯座中，发射光纤端口连接至灯座出光口处，氙灯光源所发出的光束被耦合到所述发射光纤，所述发射光纤至少被分为：第一束光纤和第二束光纤，所述第一束光纤连接所述第一光开关，所述第二束光纤连接所述发射接收望远镜；
经过所述第一束光纤的发出光束为第二光束，经过所述第二束光纤的发出光束为第一光束；
第二光束穿过第一光开关后作为本底光谱进入接收光纤，第一光束经所述发射接收望远镜的平面镜反射后进行发射、再经角反射器反射后由所述发射接收望远镜接收并耦合到所述接收光纤；
所述接收光纤穿过第二光开关和样品盒后与光谱仪相连，所述接收光纤将所述第一光束和第二光束进行耦合后形成第三光束，所述第三光束被所述光谱仪接收，所述光谱仪对所述第三光束的光谱进行监测；
所述数据处理系统根据所述监测的结果获得污染气体含量信息。
2.如权利要求1所述光纤结构污染气体差分吸收光谱测量系统，其特征在于，所述发射接收望远镜包括平面镜和椭球面镜，所述平面镜与椭球面镜为一体结构，通过支架与望远镜边缘连接并固定于中心轴位置，其中平面镜的平面与所述发射接收望远镜的中心轴夹角为45°，椭球面镜的中心轴与望远镜的中心轴夹角为0°。
3. 如权利要求1所述光纤结构污染气体差分吸收光谱测量系统，其特征在于，所述发射光纤被分为第一束光纤和第二束光纤，所述第一束光纤和第二束光纤的分束比为1: 9，所述发射光纤的公共端与氙灯光源相连。
4.如权利要求1或2所述光纤结构污染气体差分吸收光谱测量系统，其特征在于，所述接收光纤被分为：第三束光纤和第四束光纤，所述第三束光纤和第四束光纤的分束比为1: 1，所述接收光纤的第三束光纤穿过样品盒和第二光开关连接所述发射接收望远镜；所述接收光纤的第四束光纤连接所述第一光开关，所述第四束光纤接收经过所述发射光纤传入的本底光谱，所述接收光纤公共端与光谱仪相连。
5. 如权利要求1所述光纤结构污染气体差分吸收光谱测量系统，其特征在于，所述样品盒在校准时注入样品气体。
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