CN103698294A - 基于太赫兹时域光谱系统的矿井环境气体定量分析装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于太赫兹时域光谱系统的矿井环境气体定量分析装置及方法。装置包括：飞秒激光器、分束器、光学延迟装置、反射镜、起偏器、聚焦透镜、太赫兹发射器、气体取样池、氧化铟锡导电玻璃、碲化锌电光晶体、高功率放大器、数据采集及处理系统、四分之一波片、渥拉斯顿棱镜、平衡探测器、锁相放大器、计算机。本发明提出的矿井环境气体定量分析方法，首先建立矿井环境气体的定量分析模型，然后通过本发明提出的装置获取待测气体的太赫兹光谱，再应用建立的定量分析模型确定矿井环境气体中各成分的含量。本方法具有结构简单、易操作、分析速度快及精度高等特点，本发明提出的方法还可应用到其他领域的混合物分析中。

Description

基于太赫兹时域光谱系统的矿井环境气体定量分析装置及方法

技术领域

本发明属于太赫兹技术应用领域，尤其涉及一种基于太赫兹时域光谱系统的矿井环境气体浓度测量分析装置及方法，可以对矿井环境气体进行定量分析。 

背景技术

矿井环境气体检测是保证矿井井下人员安全作业和提高矿井防灾抗灾能力的有效保障。矿井中的有害有毒气体主要有甲烷（CH4，又称瓦斯气）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、硫化氢（H2S）等。其中甲烷本身无毒，但是当浓度较高时会引起窒息，不助燃，但是在空气中具有一定浓度并遇到高温时会引起爆炸；一氧化碳是一种对血液、神经有害的毒物，浓度高对人的危害极大；硫化氢无色、微甜、有浓烈的臭鸡蛋味，浓度达到0.0001%时即可嗅到，但当浓度较高时反而因嗅觉神经中毒麻痹反而嗅不到，能燃烧，浓度高时有爆炸危险。这些气体引发的爆炸事故屡见不鲜，严重威胁矿井工作人员的人身和财产安全，尤其瓦斯爆炸，它是煤矿的重大灾害之一，也是当今世界各采煤国研究和预防的重点。我国高瓦斯含量的矿井占全国统配煤矿总数的46%，它是我国矿难的第一大祸首，直接威胁着矿工的生命安全，由瓦斯爆炸引起的伤亡人数超过全部重大事故伤亡人数的一半，是煤矿生产中危害极大的一类事故。因此煤矿企业急需高可靠性、智能快速的矿井环境气体检测仪器以满足复杂的现场需求，对这些气体的有效检测和分析对于预防矿井爆炸事故，保证矿井工作人员的生命安全具有及其重要的意义。 

常规的矿井气体检测方法主要有接触燃烧法、半导体吸收法、催化法、红外吸收法、气相色谱法。接触燃烧法和半导体吸收法的精度容易受其他气体的干扰；催化法易中毒，严重影响检测的准确性；红外吸收法主要基于红外辐射对不同官能团的吸收不同进行气体检测，只能测量低浓度瓦斯，易受到高浓度瓦斯和硫化物的侵蚀，使用一段时间后，零点产生漂移，灵敏度下降，因此每隔一段时间就要用标准气体进行零点和灵敏度的校正；气相色谱法是根据色谱柱中的气相和固定相间的分配及吸附系数不同对被测气体进行分离，然后应用检测器进行检测，该方法检测时间长，而且往往不能直接给出被测气体的成分信息，还需要联合其他的方法做进一步分析。分析发现，当前矿井环境气体分析方法很多，但是都存在很多局限性，难以满足矿井环境气体检测的快速、智能、可靠的要求，矿井环境气体检测到目前为止仍未得到很好的解决。 

太赫兹波技术是近年来发展起来的前沿研究领域，许多生物大分子、有机分子的振动和转动频率、极性分子（包括大部分气体分子）的振动和转动频率均位于THz波段，尤其是气体分子在THz波段表现出很强的吸收特性，物质的太赫兹吸收光谱可以作为其指纹光谱对物质进行识别。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于太赫兹时域光谱技术的矿井环境气体定量分析装置及方法。 

基于太赫兹时域光谱系统的矿井环境气体定量分析装置，其特征在于，飞秒激光器发出的飞秒激光被分束器分成两束，其中一束激光经第一反射镜和光学延迟线后被聚焦透镜聚焦到光导天线型太赫兹发射器上产生太赫兹波，产生的太赫兹波透过第一石英玻璃片后被第一抛物面镜准直为平行光束照射到待测气体上，透过待测气体后被第二抛物面镜聚焦，透过第二石英玻璃片和氧化铟锡导电玻璃后被聚焦到碲化锌电光晶体上；另外一束激光经第二反射镜和起偏器后被氧化铟锡导电玻璃反射，并与第一束激光所产生的太赫兹波共线地被耦合到碲化锌电光晶体上；从碲化锌晶体透射出的携带太赫兹波信息的激光经过四分之一波片后被渥拉斯顿棱镜分成偏振方向垂直的两束激光照射到平衡探测器上；平衡探测器的输出信号经锁相放大器后被输入计算机进行信号处理；锁相放大器的输出信号经高功率放大器放大后为光导天线型太赫兹发射器提供偏置电压；计算机通过光学延迟线控制装置控制光学延迟线移动。 

基于太赫兹时域光谱系统的矿井环境气体定量分析装置中的气体取样池包括第一石英玻璃片，第一抛物面镜，第二抛物面镜，第二石英玻璃片，进气口阀门，压力表，出气口阀门。进气口阀门和出气口阀门共同控制被测气体的进入以及气体池中空气的排出，气体池中的气体压力由压力表读取。 

基于太赫兹时域光谱系统的矿井环境气体定量分析方法，其特征在于包含以下步骤： 

1）应用权利要求1所述的装置测量矿井环境气体中常见气体成分的标准样品在标准大气压下的太赫兹吸收光谱，随后根据所测量的标准样品的太赫兹吸收光谱建立矿井环境气体定量分析模型；

2）应用权利要求1所述的装置获取待测矿井环境气体在标准大气压下的太赫兹吸收光谱，并采用1）建立的矿井环境气体定量分析模型分析矿井环境气体中各气体成分的浓度。

基于太赫兹时域光谱系统的矿井环境气体定量分析方法，其特征在于所述的步骤1）包含以下步骤： 

11）首先，在标准大气压及室温下，采用权利要求1所述的装置获取矿井环境气体中常见气体成分的标准样品的太赫兹吸收光谱，主要步骤为：首先利用权利要求1所述的装置获取太赫兹波透过空气的太赫兹时域波形，作为参考信号，然后获取太赫兹波透过各标准气体样品的太赫兹时域波形，作为样品信号，对参考信号和样品信号分别作傅里叶变换，得到参考和样品的频域谱，然后将样品的频域谱和参考的频域谱相比获得每种气体的太赫兹吸收光谱； 

气体的太赫兹吸收光谱采用下式计算： 

$A={\log }_{10}\left(\frac{I_0}{I}\right)---\left(1\right)$

其中I₀是参考信号的傅里叶变换幅度谱，I是样品信号的傅里叶变换幅度谱。 

12）从各标准气体样品的太赫兹吸收光谱上获取每种气体最典型的太赫兹吸收峰位置，频率标记为f₁、f₂、…、f_n，其中n为气体种类，并获得n种气体在f₁、f₂、…、f_n处的吸收光谱的值标记为A_i1、A_i2、…、A_in（其中i是气体种类序号，i＝1、2…、n），并利用这些参数确定矿井环境气体定量分析的定量模型。 

基于太赫兹时域光谱系统的矿井环境气体定量分析方法，其特征在于所述的步骤2）包含以下步骤： 

21）对于成分含量未知的矿井环境气体，在标准大气压及室温下，采用权利要求1所述的装置获取太赫兹波透过空气的太赫兹时域波形，并将其作为参考信号，获取待测矿井环境气体的太赫兹时域波形，作为样品信号，对参考信号和样品信号均作傅里叶变换，得到参考和样品的频域谱，然后将样品的频域谱和参考的频域谱相比获得待测的矿井环境气体的太赫兹吸收光谱，并获取频率f₁、f₂、…、f_n吸收光谱值，记为A₁、A₂、…、A_n； 

22）利用步骤1）建立的定量分析模型获得待测矿井环境气体中各气体的浓度值x₁、x₂、…、x_n。 

有益效果：本发明提出的基于太赫兹时域光谱的矿井环境气体定量分析装置及方法，无需复杂的前处理过程，测试速度快，对被检样品没有损害，可以同时获得多种气体的含量，本发明提出的测量方法也可以应用到其他领域的混合物定量分析中。 

附图说明

图1是基于太赫兹时域光谱技术的矿井环境气体定量分析装置的结构示意图； 

图中：飞秒激光器1，分束器2，光学延迟装置3，光学延迟线3-1，光学延迟线控制器3-2，第一反射镜4，第二反射镜5，起偏器6，聚焦透镜7，光导天线型太赫兹发射器8，第一石英玻璃片9，第一抛物面镜10，第二抛物面镜11，第二石英玻璃片12，ITO导电玻璃13，碲化锌电光晶体14，高功率放大器15，数据采集及处理系统16，四分之一波片16-1,渥拉斯顿棱镜16-2，平衡探测器16-3，锁相放大器16-4，数据处理计算机16-5，进气口阀门17，压力表18，出气口阀门19,气体取样池20。

具体实施方式

如附图1所示，一种基于太赫兹时域光谱系统的矿井环境气体定量分析装置，飞秒激光器发出的飞秒激光被分束器分成两束，其中一束激光经第一反射镜和光学延迟线后被聚焦透镜聚焦到光导天线型太赫兹发射器上产生太赫兹波，产生的太赫兹波透过第一石英玻璃片后被第一抛物面镜准直为平行光束照射到待测气体上，透过待测气体后被第二抛物面镜聚焦，透过第二石英玻璃片和ITO导电玻璃后被聚焦到碲化锌电光晶体上；另外一束激光经第二反射镜和起偏器后被ITO导电玻璃反射，并与第一束激光所产生的太赫兹波共线地被耦合到碲化锌电光晶体上；从碲化锌晶体透射出的携带太赫兹波信息的激光经过四分之一波片后被渥拉斯顿棱镜分成偏振方向垂直的两束激光照射到平衡探测器上；平衡探测器的输出信号经锁相放大器后被输入数据处理计算机进行进一步数据处理；锁相放大器输出信号经高功率放大器放大后为光导天线型太赫兹发射器提供偏置电压；数据处理计算机通过光学延迟线控制装置控制光学延迟线移动。其中气体取样池包括第一石英玻璃片，第一抛物面镜，第二抛物面镜，第二石英玻璃片，进气口阀门，压力表，出气口阀门。进气口阀门和出气口阀门共同控制被测气体的进入以及气体池中空气的排出，气体池中的气体压力由压力表读取。 

基于太赫兹时域光谱系统的矿井环境气体定量分析方法，其特征在于包含以下步骤： 

1）应用权利要求1所述的装置测量矿井环境气体中常见气体成分的标准样品在标准大气压下的太赫兹吸收光谱，随后根据所测量的标准样品的太赫兹吸收光谱建立矿井环境气体定量分析模型；

2）应用权利要求1所述的装置获取待测矿井环境气体在标准大气压下的太赫兹吸收光谱，并采用1）建立的矿井环境气体定量分析模型分析矿井环境气体中各气体成分的浓度。

基于太赫兹时域光谱系统的矿井环境气体定量分析方法，其特征在于所述的步骤1）包含以下步骤： 

11）首先，在标准大气压及室温下，采用权利要求1所述的装置获取矿井环境气体中常见气体成分的标准样品的太赫兹吸收光谱，主要步骤为：首先利用权利要求1所述的装置获取太赫兹波透过空气的太赫兹时域波形，作为参考信号，然后获取太赫兹波透过各标准气体样品的太赫兹时域波形，作为样品信号，对参考信号和样品信号分别作傅里叶变换，得到参考和样品的频域谱，然后将样品的频域谱和参考的频域谱相比获得每种气体的太赫兹吸收光谱； 

12）从各标准气体样品的太赫兹吸收光谱上获取每种气体最典型的太赫兹吸收峰位置，频率标记为f₁、f₂、…、f_n，其中n为气体种类，并获得n种气体在f₁、f₂、…、f_n处的吸收光谱的值标记为A_i1、A_i2、…、A_in（其中i是气体种类序号，i＝1、2…、n），并利用这些参数确定矿井环境气体定量分析的定量模型。 

基于太赫兹时域光谱系统的矿井环境气体定量分析方法，其特征在于所述的步骤2）包含以下步骤： 

21）对于成分含量未知的矿井环境气体，在标准大气压及室温下，采用权利要求1所述的装置获取太赫兹波透过空气的太赫兹时域波形，并将其作为参考信号，获取待测矿井环境气体的太赫兹时域波形，作为样品信号，对参考信号和样品信号均作傅里叶变换，得到参考和样品的频域谱，然后将样品的频域谱和参考的频域谱相比获得待测的矿井环境气体的太赫兹吸收光谱，并获取频率f₁、f₂、…、f_n吸收光谱值，记为A₁、A₂、…、A_n； 

22）利用步骤1）建立的定量分析模型获得待测矿井环境气体中各气体的浓度值x₁、x₂、…、x_n。 

以矿井环境气体中三种典型的成分甲烷、硫化氢和一氧化碳为例，假设混合物中各种气体的浓度分别为x₁、x₂、x₃，三种气体的最强的吸收峰所在频率为f₁、f₂、f₃的吸收光谱值，三个频率处对应的的吸收光谱值记为A₁、A₂、A₃，根据郎伯-比尔定律，在某一频率点处太赫兹波的衰减是由各种气体共同的吸收所引起，因此浓度x₁、x₂、x₃与各频率点处的吸收光谱A₁、A₂、A₃之间的关系可以由以下方程组确定 

$\left\{\begin{array}{c}{A}_1=a_{11}{x}_1+a_{12}{x}_2+a_{13}{x}_3\\ A_2=a_{21}{x}_1+a_{22}{x}_2+a_{23}{x}_3\\ A_3=a_{31}{x}_1+a_{32}{x}_2+a_{33}{x}_3\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中系数a_ij,i＝1,2,3;j＝1,2,3，（其中i表示频率点，j表示气体种类），可以由单一气体的太赫兹光谱中获取，例如对于j＝1的第一种气体，当气体为纯净气体时，则其中x₁＝1、x₂＝0、x₃＝0，即其中没有第二种和第三种气体，则方程组（2）被简化为 

$\left\{\begin{array}{c}{A}_1=a_{11}\\ A_2=a_{21}\\ A_3=a_{31}\end{array}\right.---\left(3\right)$

同样的，根据第2种和第3种的太赫兹吸收光谱可以求出模型中其他的系数a_ij,i＝1,2,3;j＝2,3。 

对于未知成分含量的矿井环境气体，利用本发明所提出的装置测得其太赫兹吸收光谱，确定对应频率f₁、f₂、f₃处的吸收系数值A₁、A₂、A₃，则根据方程组（2），则可以求出各种气体的浓度x₁、x₂、x₃。 

本专利提出的矿井环境气体定量分析方法不仅限于此三种气体的分析，此处仅以三种典型的矿井环境气体为例说明本专利所提出的方法，实际应用中可以根据矿井环境气体所含的气体成分，采用本专利的方法建立相应的定量分析模型，模型的建立方法如上所述，与此相关的应用太赫兹波进行矿井环境中气体分类的方法均在此专利的保护范围内。 

Claims (5)

1.一种基于太赫兹时域光谱系统的矿井环境气体定量分析装置，其特征在于，飞秒激光器（1）发出的飞秒激光被分束器（2）分成两束，其中一束激光经第一反射镜（4）和光学延迟线（3-1）后被聚焦透镜（7）聚焦到光导天线型太赫兹发射器（8）上产生太赫兹波，产生的太赫兹波透过第一石英玻璃片（9）后被第一抛物面镜（10）准直为平行光束照射到待测气体上，透过待测气体后被第二抛物面镜（11）聚焦，透过第二石英玻璃片（12）和氧化铟锡导电玻璃（13）后被聚焦到碲化锌电光晶体（14）上；另外一束激光经第二反射镜（5）和起偏器（6）后被氧化铟锡导电玻璃（13）反射，并与第一束激光所产生的太赫兹波共线地被耦合到碲化锌电光晶体（14）上；从碲化锌晶体（14）透射出的携带太赫兹波信息的激光经过四分之一波片（16-1）后被渥拉斯顿棱镜（16-2）分成偏振方向垂直的两束激光照射到平衡探测器（16-3）上；平衡探测器（16-3）的输出信号经锁相放大器（16-4）后被输入计算机（16-5）进行信号处理；锁相放大器（16-4）的输出信号经高功率放大器（15）放大后为光导天线型太赫兹发射器（10）提供偏置电压；计算机（16-5）通过光学延迟线控制装置（3-2）控制光学延迟线（3-1）移动。

2.一种基于太赫兹时域光谱系统的矿井环境气体定量分析装置，其特征在于，气体取样池（20）包括第一石英玻璃片（9），第一抛物面镜（10），第二抛物面镜（11），第二石英玻璃片（12），进气口阀门（17），压力表（18），出气口阀门（19），进气口阀门（17）和出气口阀门（19）共同控制被测气体的进入以及气体池中空气的排出，气体池中的气体压力由压力表（18）读取。

3.一种基于太赫兹时域光谱系统的矿井环境气体定量分析方法，其特征在于包含以下步骤：

1）应用权利要求1所述的装置测量矿井环境气体中常见气体成分的标准样品在标准大气压下的太赫兹吸收光谱，随后根据所测量的标准样品的太赫兹吸收光谱建立矿井环境气体定量分析模型；

2）应用权利要求1所述的装置获取待测矿井环境气体在标准大气压下的太赫兹吸收光谱，并采用1）建立的矿井环境气体定量分析模型分析矿井环境气体中各气体成分的浓度。

4.一种基于太赫兹时域光谱系统的矿井环境气体定量分析方法，其特征在于所述的步骤1）包含以下步骤： 

11）首先，在标准大气压及室温下，采用权利要求1所述的装置获取矿井环境气体中常见气体成分的标准样品的太赫兹吸收光谱，主要步骤为：首先利用权利要求1所述的装置获取太赫兹波透过空气的太赫兹时域波形，作为参考信号，然后获取太赫兹波透过各标准气体样品的太赫兹时域波形，作为样品信号，对参考信号和样品信号均作傅里叶变换，得到参考和样品的频域谱，然后将样品的频域谱和参考的频域谱相比获得每种气体的太赫兹吸收光谱； 

12）从各标准气体样品的太赫兹吸收光谱上获取每种气体最典型的太赫兹吸收峰位置，频率标记为f₁、f₂、…、f_n，其中n为气体种类，并获得n种气体在f₁、f₂、…、f_n处的吸收光谱的值标记为A_i1、A_i2、…、A_in（其中i是气体种类序号，i＝1、2…、n），并利用这些参数确定矿井环境气体定量分析的定量模型。 

5.一种基于太赫兹时域光谱系统的矿井环境气体定量分析方法，其特征在于所述的步骤2）包含以下步骤： 

21）对于成分含量未知的矿井环境气体，在标准大气压及室温下，采用权利要求1所述的装置获取太赫兹波透过空气的太赫兹时域波形，并将其作为参考信号，获取待测矿井环境气体的太赫兹时域波形，作为样品信号，对参考信号和样品信号均作傅里叶变换，得到参考和样品的频域谱，然后将样品的频域谱和参考的频域谱相比获得待测的矿井环境气体的太赫兹吸收光谱，并获取频率f₁、f₂、…、f_n吸收光谱值，记为A₁、A₂、…、A_n； 

22）利用步骤1）建立的定量分析模型获得待测矿井环境气体中各气体的浓度值x₁、x₂、…、x_n。 

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