CN104897610B - 一种旋转棱镜式多组份痕量气体浓度测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种旋转棱镜式多组份痕量气体浓度测量装置，属于吸收光谱法测量技术领域。解决了现有技术中测量装置成本高、测量结果不准确的问题。本发明的装置包括N个半导体激光器、N个第一折转镜、旋转台、选择棱镜、准直隔离器、模式匹配镜、反射谐振腔、光电探测器和数据处理模块，每个半导体激光器发射的光束先经光纤传输至相对应的第一折转镜，然后经选择棱镜反射后，从P点沿旋转台的旋转轴X依次经准直隔离器和模式匹配镜后进入反射谐振腔，从反射谐振腔出射后，再入射光电探测器，光电探测器将接收的光信号转换成电信号并传输至数据处理模块，数据处理模块对接收的电信号进行分析。该装置成本低，便于光路保持、测量误差小。

Description

一种旋转棱镜式多组份痕量气体浓度测量装置
技术领域
本发明属于吸收光谱法测量技术领域，具体涉及一种旋转棱镜式多组份痕量气体浓度测量装置。
背景技术
根据光谱吸收理论，每一种分子都有对应的多个特征吸收峰，在特征吸收峰附近，分子吸收比较强。不同的分子由于组分和结构差异，其转动、振动和电子光谱也有区别，导致不同气体的特征吸收峰的分布不尽相同，而且同一气体不同特征峰之间的吸收强度也有很大差别。光谱吸收理论正是基于特征峰之间的分布差异来探测不同气体的浓度。
半导体激光器由于其波长能在一定范围内连续调节，非常适合光谱吸收技术。一方面可以在特征吸收峰值范围内测量不同波长处的吸收强度来拟合测量中的误差；另一方面可以测量几个相距较近的特征峰的吸收，从而实现多组分测量。但是半导体激光器由于通过电流和温度变化改变激光器中的布拉格光栅晶格间距的办法来调节波长的，晶格间距通常变化幅度很小，导致激光器可调节的波长范围很小，一般为5-20nm。这么小的范围是不能满足大多数多组分气体浓度的探测需求的。当多组分气体中几种分子的特征吸收峰的间距较大，单一半导体激光器的小调节波长范围更不能满足多组分气体浓度的探测需求。
另外，光谱吸收技术中，为提高干净背景中待测气体的探测精度有两种办法可行，一是选择工作在吸收强烈的特征吸收峰处，二是增加吸收距离。由于当选定待测气体后其特征吸收峰就固定了，而要选择一个背景较为干净的特征峰就更为不易，往往不能满足吸收强烈的要求，所以需要采用增加吸收距离以提高探测精度。
基于上述两点考虑，现有技术中的多组份痕量气体浓度测量装置由一般由多个半导体激光器、多个准直隔离器、多个模式匹配镜、多个反射谐振腔、多个折转镜、光电探测器和数据处理模块，每个半导体激光器发射的光束依次经一个准直隔离器、一个模式匹配镜、一个反射谐振腔、一个折转镜后入射光电探测器，经光电探测器转换成电信号后进入数据处理模块进行光谱分析。但是，一方面，由于反射谐振腔所使用的高反射率的反射镜(反射率一般在0.9999以上)和微位移机构价格昂贵，所以造成装置成本高，另一方面，由于多个反射谐振腔分别抽样，容易引起测量误差，导致检测结果不准确。
发明内容
本发明的目的是解决现有多组份痕量气体浓度测量装置成本高、测量结果不准确的技术问题，提供一种旋转棱镜式多组份痕量气体浓度测量装置。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下。
旋转棱镜式多组份痕量气体浓度测量装置，包括N个半导体激光器、准直隔离器、模式匹配镜、反射谐振腔、光电探测器和数据处理模块，其特征在于，
还包括N个第一折转镜、旋转台和选择棱镜；
所述选择棱镜固定在旋转台上；
所述N个半导体激光器以旋转台旋转轴X为中心分布于同一圆周上，半导体激光器与第一折转镜一一对应，每个半导体激光器工作在nλ0、nλ0/2或者nλ0/4覆盖的反射率在0.9999以上的波长范围内，n为反射谐振腔内多层膜反射镜的等效折射率，λ0为反射谐振腔内多层膜反射镜的中心波长；
所述N个第一折转镜的输出光束均在同一平面A内，垂直于旋转台的旋转轴X且与选择棱镜交于同一点P；
N为大于等于2的整数；
所述装置的光路走向为：每个半导体激光器发射的光束先经光纤传输至相对应的第一折转镜，然后经选择棱镜反射后，从P点沿旋转台的旋转轴X依次经准直隔离器和模式匹配镜后进入反射谐振腔，从反射谐振腔出射后，再入射光电探测器，光电探测器将接收的光信号转换成电信号并传输至数据处理模块，数据处理模块对接收的电信号进行分析。
进一步的，所述装置还包括第二折转镜，光束经反射谐振腔后，先经第二折转镜折转，再入射光电探测器。
进一步的，所述光电探测器为多个，所有光电探测器皆并联。
进一步的，所述N为3或4。
进一步的，所述N个半导体激光器沿圆周均匀分布。
进一步的，所述N个第一折转镜均为反射镜，反射率为98％以上。
进一步的，所述选择棱镜由固定座和平面反射镜组成，所述固定座固定在旋转台上，所述平面反射镜的反射率为98％以上且固定在固定坐上，平面反射镜与旋转台的旋转轴X成45度角。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的旋转棱镜式多组份痕量气体浓度测量装置包括多个半导体激光器，通过旋转台带动选择棱镜旋转，切换不同的激光器的方式，测量特征吸收峰的间距较远的几种分子，也可通过调节单一的激光器，测量特征吸收峰相距较近的几种分子，或者拟合一个特征吸收峰值范围中的测量误差，获取各组份气体浓度，拓展了装置的探测范围；
2、本发明的旋转棱镜式多组份痕量气体浓度测量装置折反镜和选择透镜均为高反射镜，能量利用率接近100％；
3、本发明的旋转棱镜式多组份痕量气体浓度测量装置将多个半导体激光器通过一个反射谐振腔增加吸收距离，既降低了设备成本，又保证了一次抽样就能获取多种气体组份的浓度，避免了气体流动等因素带来的采样误差。
附图说明
图1为反射谐振腔内多层膜反射镜的反射率随波长变化曲线；
图2为本发明的旋转棱镜式多组份痕量气体浓度测量装置的半导体激光器的分布示意图；
图3为本发明的旋转棱镜式多组份痕量气体浓度测量装置的结构示意图。
图中，1-1、第一半导体激光器，1-2、第二半导体激光器，1-3、第三半导体激光器，1-4、第四半导体激光器，2、第一折转镜，3、旋转台，4、选择棱镜，5、准直隔离器，6、模式匹配镜，7、反射谐振腔，8、第二折转镜，9、光电探测器，10、数据处理模块。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
如图2-3所示，本发明的旋转棱镜式多组份痕量气体浓度测量装置，主要包括：N个半导体激光器、N个第一折转镜2、旋转台3、选择棱镜4、准直隔离器5、模式匹配镜6、反射谐振腔7、第二折转镜8、光电探测器9和数据处理模块10。其中，选择棱镜4固定在旋转台3上，随旋转台3一起旋转，选择棱镜4可以由固定座和平面反射镜组成，固定座固定在旋转台上，平面反射镜的反射率为98％以上且固定在固定坐上，平面反射镜与旋转台的旋转轴X成45度角。N个半导体激光器与N个第一折转镜2一一对应，N个半导体激光器以旋转台4的旋转轴X为中心均匀分布于同一圆周上，N个半导体激光器的工作波段可以在同一段高反射率波段也可以在不同段高反射率波段，依据实际需要设置即可，为保证能通过同一个反射谐振腔7增加吸收距离，N个半导体激光器均工作在nλ0、nλ0/2或者nλ0/4覆盖的高反射率(本发明定义高反射率为反射率在0.9999以上)波长范围内，n为反射谐振腔7内多层膜反射镜的等效折射率，λ0为反射谐振腔7内多层膜反射镜的中心波长；N个第一折转镜2的光束输出均在同一平面A内，垂直于旋转台3的旋转轴X且与选择棱镜4交于同一点P，N个第一折转镜2均为反射镜，反射镜的反射率在98％以上，N一般为大于等于2的整数，优选3和4。每个半导体激光器发射的光束先经光纤传输至相对应的第一折转镜2，然后经选择棱镜4反射后，从P点沿旋转台3的旋转轴X入射准直隔离器5。准直隔离器5有两个作用，其一为准直作用，保证光束垂直通过模式匹配镜6的中心，其二为隔离作用，切断经模式匹配镜6反射回和透射回的光束通路，从而避免工作状态的半导体激光器被损坏。光束从模式匹配镜6出射后入射反射谐振腔7，反射谐振腔7由两面以上的多层膜反射镜组成，并可以通过微位移机构(如压电陶瓷)调整腔长，实现谐振，反射谐振腔7内的多层膜反射镜的反射率要求很高，一般在0.9999以上，该多层膜反射镜在基础波长nλ0、基础波长nλ0的半波长nλ0/2及基础波长nλ0的四分之一波长nλ0/4处的反射率都在0.9999以上，如图1所示。反射谐振腔7出射的光束入射光电探测器9，光电探测器9的响应度对应的波段与N个半导体激光器的工作波段相匹配，由于光电探测器9的响应度对应的波段较宽，所以一般采用一个光电探测器9就可以实现，当N个半导体激光器的工作波段不能对应一个光电探测器8时，可以采用多个光电探测器9并联，并联方式为现有技术，如通过光纤分束。光电探测器9将接收的电信号转换成光信号，并经光纤传输至数据处理模块10。数据处理模块10对接收的光信号进行分析，计算气体浓度。
本实施方式中，N为4，即半导体激光器包括第一半导体激光器1-1、第二半导体激光器1-2、第三半导体激光器1-3和第四半导体激光器1-4，4个半导体激光器沿圆周均匀分布。
本实施方式中，为便于装置各部件的摆放，反射谐振腔7出射的光束先经第二折转镜8折转，再入射光电探测器9。
本实施方式的旋转棱镜式多组份痕量气体浓度测量装置的光路走向为：每个半导体激光器发射的光束先经光纤传输至相对应的第一折转镜2，第一折转镜2将光束折转入选择棱镜4的P点，然后光束经选择棱镜4反射，从P点沿旋转台的旋转轴X依次经准直隔离器5和模式匹配镜6耦合进入反射谐振腔7，从反射谐振腔7出射后，经第二折转镜8折转后再入射光电探测器9，光电探测器9将接收的光信号转换成电信号并传输至数据处理模块10，数据处理模块10对接收的电信号进行分析，计算各组份浓度。
本实施方式的旋转棱镜式多组份痕量气体浓度测量装置的工作过程为：反射谐振腔7抽满待测气体样品，根据待分析的气体组分的分子确定相应特征吸收峰，进而选择工作波段在该范围内的激光器工作，旋转旋转台3，使选择棱镜4对准选择好的激光器，打开激光器，测量一种气体组分的浓度(根据需要选择是否调节单个激光器的波长实现波长扫描功能)，一种气体测量完成后，根据测量的下一种气体组分的分子的特征吸收峰选择切换激光器或者调节单个激光器波长，当多组分气体中上一种测量分子的特征吸收峰与下一种测量分子的特征吸收峰的间距较大，可以通过旋转旋转台3切换不同的激光器，当多组分气体中上一种测量分子的特征吸收峰与下一种测量分子的特征吸收峰的间距较小时，可以调节单个激光器。

Claims (7)

1.旋转棱镜式多组份痕量气体浓度测量装置，包括N个半导体激光器、准直隔离器(5)、模式匹配镜(6)、反射谐振腔(7)、光电探测器(9)和数据处理模块(10)，其特征在于，
还包括N个第一折转镜(2)、旋转台(3)和选择棱镜(4)；
所述选择棱镜(4)固定在旋转台(3)上；
所述N个半导体激光器以旋转台(3)旋转轴X为中心分布于同一圆周上，半导体激光器与第一折转镜(2)一一对应，半导体激光器工作在nλ0、nλ0/2或者nλ0/4覆盖的高反射率波长范围内，N个半导体激光器的工作波段能够在同一段高反射率波段或者在不同段高反射率波段，n为反射谐振腔(7)内多层膜反射镜的等效折射率，λ0为反射谐振腔(7)内多层膜反射镜的中心波长，高反射率为反射率在0.9999以上的反射率；
所述N个第一折转镜(2)的输出光束均在同一平面A内，垂直于旋转台(3)的旋转轴X且与选择棱镜(4)交于同一点P；
N为大于等于2的整数；
所述装置的光路走向为：每个半导体激光器发射的光束先经光纤传输至相对应的第一折转镜(2)，然后经选择棱镜(4)反射后，从P点沿旋转台(3)的旋转轴X依次经准直隔离器(5)和模式匹配镜(6)后进入反射谐振腔(7)，从反射谐振腔(7)出射后，再入射光电探测器(9)，光电探测器(9)将接收的光信号转换成电信号并传输至数据处理模块(10)，数据处理模块(10)对接收的电信号进行分析。
2.根据权利要求1所述的旋转棱镜式多组份痕量气体浓度测量装置，其特征在于，所述装置还包括第二折转镜(8)，光束经反射谐振腔(7)后，先经第二折转镜(8)折转，再入射光电探测器(9)。
3.根据权利要求1所述的旋转棱镜式多组份痕量气体浓度测量装置，其特征在于，所述光电探测器(9)为多个，所有光电探测器(9)皆并联。
4.根据权利要求1所述的旋转棱镜式多组份痕量气体浓度测量装置，其特征在于，所述N为3或4。
5.根据权利要求1所述的旋转棱镜式多组份痕量气体浓度测量装置，其特征在于，所述N个半导体激光器沿圆周均匀分布。
6.根据权利要求1所述的旋转棱镜式多组份痕量气体浓度测量装置，其特征在于，所述N个第一折转镜(2)均为反射镜，反射率为98％以上。
7.根据权利要求1所述的旋转棱镜式多组份痕量气体浓度测量装置，其特征在于，所述选择棱镜(4)由固定座和平面反射镜组成，所述固定座固定在旋转台上，所述平面反射镜的反射率为98％以上且固定在固定座上，平面反射镜与旋转台(3)的旋转轴X成45度角。
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