CN105181645B - 一种测量气体浓度的螺旋型多光程装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量气体浓度的螺旋型多光程装置，属于气体浓度光学测量领域。该装置包括激光光源模块、螺旋型多光程池和输出信号检测模块，激光光源模块发出的激光经螺旋型多光程池来回循环反射后，有输出信号检测模块进行检测，从而得到气体浓度。该装置对气体浓度进行测量时，可以有效地缩小光程池的体积，加长光作用的有效光程，从而能有效地提高光谱探测灵敏度，提高吸收气体浓度测量的精确度。

Description

一种测量气体浓度的螺旋型多光程装置

技术领域

本发明涉及光学测量领域，特别涉及一种测量气体浓度的光学装置。

背景技术

随着经济的发展，人类对地球开发利用的速度远远超出了地球的可再生周期，因而出现了许多环境问题，其中最严重的是空气质量问题。工业排放的废气、汽车排放的尾气、煤炭的燃烧无不对空气造成严重的污染。所以我们需要对空气进行实时的监测，全面了解空气的质量，以做出相应的对策。

测量空气浓度的方法许多比如：色谱法、射线吸收法和光谱吸收法等。其中光谱吸收法应用普遍，技术较成熟。多次反射池是吸收光谱学学系统中非常重要的一部分，特别是在痕量气体检测中，根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，增加光和样品的作用距离，能增大吸收信号的幅度，从而能有效地提高光谱探测灵敏度。

最常用的光学长程池有White型光学长程池[1]John U.White.Long Opti calPaths of Large Aperture.Journa l of the Optical Soc iety of America.1942,32(5):285.和Herriott型光学长程池[2]D.Herriott,H.Kogelinik,R.Kompfner.Off-Axi sPaths in Spherical Mirror Interferometers.Appl.Opt.1964,3(4):523～526.。其中White型长程池的特点是孔径角较大，适用于普通光源和激光光源，但所用反射镜较多，至少三块，不利于调节，机械稳定性差。而Herriott型长程池的光学系统由两个凹面反射镜组成，其特点是结构简单，光路调节相对容易，但孔径角较小，适用于激光光源，所以目前吸收光谱学的研究多使用Herriott池。

Herriott池要求两块等焦距凹面镜平行且同轴。但在实际应用中难以使两凹面镜的主光轴重合，并且微小的振动都会对其产生很大的影响。为此，多光程池向着易于调节、较多的反射次数、小型化和机械稳定性好方向发展。比如：2000年郝绿原用凹面反射镜和平面反射镜组成，只需调节两镜相对平行即可，简化了光学仪器的调节。2010年夏滑将其中一块凹面镜分割成上下两半，实现了反射次数成倍的增加。最近Béla Tuzson研制出一个体积只有40cm³的圆环型多光程池，通过调节入射角度，使圆筒中出现单圈循环反射，其等效光程可达到4m。

发明内容

为了解决上述问题，本发明基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术，设计出一种测量气体浓度的螺旋型的多光程装置，可以用于精确测量气体的浓度。

本发明提供的一种测量气体浓度的螺旋型多光程装置，包括激光光源模块、螺旋型多光程池和输出信号检测模块，其中，所述螺旋型多光程池包括凹面螺旋光学腔，入射窗口和出射窗口，所述凹面螺旋光学腔由曲率半径为r的曲线沿径向半径R做螺旋旋转而成；所述激光光源模块射出的激光通过入射窗口入射到所述凹面螺旋光学腔，经过螺旋式的来回循环反射，由所述出射窗口出射，经输出信号检测模块进行检测；

其中，所述凹面螺旋光学腔满足条件0≤R≤r

所述螺旋型多光程池还包括密封外盖，所述密封外盖位于所述凹面螺旋光学腔的上下表面，所述密封外盖上设有进气口和进气口，所述进气口用于注入待测气体，所述进气口用于对螺旋型多光程池进行真空吸收。

所述激光光源模块包括激光温度电流控制器，激光器，所述激光温度电流控制器用于控制激光器的温度和电流，从而达到波长的调谐。

所述输出信号检测模块包括光电探测器、锁相放大器、和A/D转换电路，所述光电探测器用于探测从所述输出窗口输出的光束，并将探测得到光信号转化为电信号，所述锁相放大器对所述电信号进行放大和滤波以及解调成为模拟信号，所述A/D转换电路用于将解调出的模拟信号转化为数字信号。

此外，所述测量气体浓度的螺旋型多光程装置还包括高频调制电路和MCU(单片微型计算机)，所述高频调制电路用于对所述激光器输入高频率正弦波信号，以及为所述锁相放大器输入高频率正弦波参考信号，所述锁相放大器通过所述高频率正弦波参考信号为所述电信号进行解调；所述MCU用于为激光温度电流控制器输出低频三角波，以及对所述A/D转换电路输出的数字信号进行采集与处理。

此外，所述螺旋型多光程池还包括入射窗口密封阀和出射窗口密封阀，所述入射窗口密封阀包括入射窗底盘、第一平面镜和入射窗顶盘，所述入射窗底盘有0-15°的倾斜度，所述入射窗底盘密封安装在所述入射窗口上，所述第一平面镜通过所述入射窗顶盘密封安装在所述入射窗底盘上；

所述出射窗口密封阀包括出射窗底盘、第二平面镜和出射窗顶盘，所述出射窗底盘有0-15°的倾斜度，所述出射窗底盘密封安装在所述出射窗口上，所述第二平面镜通过所述出射窗顶盘密封安装在所述出射窗底盘上。

此外，所述螺旋型多光程池还包括第一密封内盖和第二密封内盖，所述第一密封内盖用于密封所述进气口，所述第二密封内盖用于密封所述出气口。

此外，所述螺旋型多光程装置还包括薄透镜，所述薄透镜位于所述入射窗口前，用于将所述激光光源模块射出的激光会聚到所述凹面螺旋光学腔的中心轴附近。

本发明提供的测量气体浓度的螺旋型多光程装置，运用了螺旋型多光程池，通过光束在该螺旋型光程池中的多次循环反射，与现有技术相比，该装置能够在更小的体积下，得到更长的有效光程，从而能有效地提高光谱探测灵敏度，提高吸收气体浓度测量的精确度。

附图说明

图1为本发明提供的螺旋型多光程装置中，光线进入凹面螺旋光学腔后形成螺旋式循环反射后射出的示意图；

图2为凹面螺旋光学腔63的结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的测量气体浓度的螺旋型多光程装置的示意图；

图4为本发明实施例二提供的测量气体浓度的螺旋型多光程装置的示意图；

图5为本发明实施例三提供的测量气体浓度的螺旋型多光程装置所使用的螺旋型多光程池的装配示意图；

图6为本发明实施例三提供的测量气体浓度的螺旋型多光程装置所使用的螺旋型多光程池的结构示意图。

具体实施方式

首先介绍一下螺旋型多光程池6，如图1所示，该螺旋型多光程池6包括一个凹面螺旋光学腔63，凹面螺旋光学腔63外侧有一个圆筒62，凹面螺旋光学腔63和圆筒62上同一位置开有入射窗口61，凹面螺旋光学腔63及其内光束反射的示意图。当光线进入凹面螺旋光学腔63后，会形成螺旋式循环反射，最后从出射窗口64射出。

如图2所示为凹面螺旋光学腔63的结构示意图，凹面螺旋光学腔63由曲率半径为r的曲线沿径向半径R做螺旋式旋转而成。凹面螺旋光学腔63由可以看做多个凹面环631螺旋叠加而成，其中凹面环631是以径向半径R和以轴向半径r(r即是曲率半径)螺旋旋转而成，其螺距为d。凹面螺旋光学腔63的厚度忽略的情况下，R即是圆筒62的半径。若径向半径R和曲率半径r相等，凹面环631是一个球面。

要使入射光线在光学腔63中循环反射而不溢出。则要满足以下两个条件：

(1)根据光学腔原理，曲率半径r与圆筒62半径R应符合激光稳定腔的稳定条件，即

0≤g₁g₂≤1

(1)

在凹面螺旋型光学腔中，则有，当0≤R≤r时，可以满足光学激光稳定腔的稳定条件。

若不满足激光稳定腔的条件，则会出现池内光线反射幅度太大，不能充分利用光学反射腔的反射面积。

(2)要使光斑被束缚在凹面环631面上，则在装置螺旋型多光程池6的入射孔61前，需放置一个特定焦点的薄透镜5。入射光线65通过薄透镜5，使得光束会聚在圆筒62的中心(即凹面螺旋光学腔63的中心轴)附近，然后光束再从中心附近发散，射到光学腔63反射表面上，光线被反射回来，光束再在中心附近会聚，如此循环，光线在光学腔63中形成稳定的来回反射，最后从出射孔射出。

光线在光学腔63中形成的光线轨迹形如螺旋型如图2所示。参考图2，光线轨迹由两个规则的曲线合成：

X＝Acosnt

(2)

Y＝Asinnt

(3)

其中，A等于凹面环631的径向半径R，也等于圆筒62的半径，等于两个相邻的凹面环631的间距d(即凹面螺旋腔的螺距)，即凹面螺旋光学腔63中的光斑点落在凹面环631中心线处，呈螺旋型轨迹。螺旋型光学吸收池的反射次数与与两凹面环631的间距d(即凹面螺旋腔的螺距)有关，螺距d越小，螺旋的跨幅越小，导致光线填补更多的镜面空间，使得较长的有效光程能够在小体积中循环反射，得到更多的反射次数。例如，在一个径向半径R较小的螺旋型光学吸收池装置中，圆筒半径1cm，螺距d是1mm，圆筒高度是100cm。入射角度是1.5°，穿过池内1000次，在314cm³的体积中，得到大约20m的有效光程。假如圆筒62的半径不变，螺距d减小，能在更小的体积下，得到更长的有效光程。

为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例一

参见附图3，本发明实施例一提供的测量气体浓度的螺旋型多光程装置，包括激光光源模块1、薄透镜2，螺旋型多光程池6和输出信号检测模块5。螺旋型多光程池包括凹面螺旋光学腔63，入射窗口61和出射窗口64，薄透镜2位于入射窗口61前。

激光光源模块1发出的激光，通过薄透镜2后由入射窗口61进入凹面螺旋光学腔，并会聚在螺旋型凹面螺旋光学腔63的中心附近，经凹面螺旋光学腔63的多次循环反射，从出射窗口64射出，输出信号检测模块7对由出射窗口射出的光束进行探测以及数据的处理。

此外，激光光源模块1可以由激光温度电流控制器和激光器组成。激光温度电流控制器使激光器在室温下，通过调节电流以输出一定功率的激光。激光器的输出波长随着激光温度电流控制器输出电流的改变而变化，从而达到波长的调谐。

此外，输出信号检测模块5可以包括光电探测器、锁相放大器(lock-in)、A/D转换电路。其中，光电探测器位于螺旋型多光程池6的出射窗口64处，用于探测从螺旋型多光程池中射出的光信号并将其转化为电信号。锁相放大器对光电探测器输出的微弱信号进行放大和滤波，并对该信号进行解调。A/D转换电路将解调出的模拟信号转化为数字信号并输出到数据处理系统进行处理。

实施例二

参见附图4，为本发明实施例二提供的测量气体浓度的螺旋型多光程装置。与本发明实施例一提供的测量气体浓度的螺旋型多光程装置的主要不同之处在于，本发明实施例二还包括高频调制电路3和MCU(单片微型计算机)4。此外，本发明实施例二中，激光光源模块1由激光温度电流控制器11和激光器12组成。输出信号检测模块5包括光电探测器51，锁相放大器52和A/D转换电路53。

MCU4为激光温度电流控制器11输出20HZ的低频三角波，用以调制激光波长，以对应吸收气体的光谱。高频调制电路3用于为激光器12输入8KHZ的高频率正弦波信号，依附在20HZ的低频三角波的边缘上，以对激光波长进行调制。同时，高频调制电路3为锁相放大器52输入相同频率(8KHZ)的正弦波参考信号，以使锁相放大器52能对光电探测器7探测到的电信号进行解调。

此外，本实施例中的激光器12可以为半导体激光器。

本实施例中，激光温度电流控制器11使激光器12在室温下，通过调节电流以输出一定功率的激光。激光器12的输出波长随着激光温度电流控制器11输出电流的改变而变化，从而达到波长的调谐。

本实施例中，激光器12发射的光源通过薄透镜2后，从入射窗口61入射到螺旋型多光程池中，并来回循环反射，到达出射窗口6，光电探测器51位于螺旋型多光程池6的出射窗口64处，用于探测从螺旋型多光程池6中射出的光信号并将其转化为电信号。锁相放大器52对光电探测器51输出的微弱电信号进行放大和滤波，同时根据高频调制电路3输出的参考信号，对该电信号进行解调，从而提取一次谐波和二次谐波信号，并通过A/D转换电路9转化为数字信号，采样输送到MCU4，由MCU4进行数据采集和处理。MCU4最后根据二次谐波和一次谐波的比值计算出气体的浓度。

实施例三

参见附图5，本发明实施例三提供的测量气体浓度的螺旋型多光程装置与本发明实施例二提供的测量气体浓度的螺旋型多光程装置的不同之处在于，所使用的螺旋型多光程池6还包括入射窗口密封阀601，密封外盖602和密封外盖607和出射窗口密封阀606。参见附图6，螺旋型多光程池6的边缘有凹槽605，用于放O圈,密封外盖601和密封内盖607通过O圈压紧在螺旋型多光程池6的上下两端，从而密封螺旋型多光程池6。

参考图6，入射窗口密封阀601由入射窗底盘6011、平面镜6012和入射窗顶盘6013组成。其中，入射窗口61上设有凹槽，凹槽上放置O圈，入射窗底盘6011压紧凹槽上的O圈，对入射窗口61形成密封，入射窗底盘6011的顶端也设有凹槽，凹槽上放置有O圈，平面镜6012通过入射窗顶盘6013压紧入射窗底盘6011顶端凹槽处的O圈，这样就能够将入射窗口完全密封。出射窗口密封阀606的结构和入射窗口密封阀601的结构相同，为了简单起见，图6中未标出出射窗口密封阀606的结构。可参照入射窗口密封阀601，出射窗口密封阀606也包括出射窗底盘，第二平面镜和出射窗顶盘，其中，出射窗口64上设有凹槽，凹槽上放置O圈，出射窗底盘压紧凹槽上的O圈，对出射窗口形成密封，出射窗底盘的顶端也设有凹槽，凹槽上放置有O圈，第二平面镜通过出射窗顶盘压紧出射窗底盘的顶端凹槽处的O圈，这样就能够将出射窗口完全密封。

此外，入射窗底盘6011有0-15°的倾斜度，使平面镜6012也有0-15°的倾斜，以避免入射光到平面镜6012上的直反射。出射窗底盘也有0-15°的倾斜度，使第二平面镜也有0-15°的倾斜，以避免入射光到第二平面镜上的直反射。此外，平面镜6012和第二平面镜可以为在相应波长上镀了增透膜的平板玻璃。

此外，本实施例的螺旋型多光程池6密封外盖602上背面穿透了一个直径为6mm的进气口603，用于对螺旋型多光程池进行真空吸收，密封外盖607背面穿透一个出气口608，用于注入待测气体。此时，本实施例的螺旋型多光程池6还包括密封内盖604和密封内盖609，其中密封内盖604用于对进气口603的密封，密封内盖609对出气口608进行密封。

本发明实施例三的实施过程为：首先对通过进气口603对螺旋型多光程池6进行真空吸收，然后通过出气口608给螺旋型多光程池6中注入一定浓度的待测气体。由MCU4产生一定幅度的低频三角波到激光温度电流控制器11，调谐激光器12输出的波长，使其能够覆盖整个气体分子的吸收谱线。以此同时，高频调制电路3输出一定幅度的高频率正弦波对激光器12中的电流进行调制。激光器12发出的激光从入射窗口61入射到螺旋型多光程池进行来回循环反射，到达出射窗口64出射到光电探测器7。光电探测器7接收到从出射窗口64射出来的激光信号，并且将激光信号转化为电信号，送至锁相放大器8。锁相放大器8对检测到的微弱信号进行放大和滤波处理，再根据高频调制电路2输出的参考信号，对检测信号进行解调，从而提取一次谐波和二次谐波信号，并通过A/D转换电路9转化为数字信号，采样输送到MCU1，由MCU1采集和处理。最后根据二次谐波和一次谐波的比值计算出气体的浓度。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测量气体浓度的螺旋型多光程装置，其特征在于，包括激光光源模块、螺旋型多光程池和输出信号检测模块，其中，

所述螺旋型多光程池包括凹面螺旋光学腔，入射窗口和出射窗口，所述凹面螺旋光学腔由曲率半径为r的曲线沿径向半径R做螺旋旋转而成；

所述激光光源模块射出的激光通过所述入射窗口入射到所述凹面螺旋光学腔，经过螺旋式的来回循环反射，由所述出射窗口出射，经所述输出信号检测模块进行检测；

所述凹面螺旋光学腔满足条件0≤R≤r。

2.根据权利要求1所述的测量气体浓度的螺旋型多光程装置，其特征在于，所述螺旋型多光程池还包括密封外盖，

所述密封外盖位于所述凹面螺旋光学腔的上下表面，所述密封外盖上设有进气口和出气口，所述出气口用于注入待测气体，所述进气口用于对螺旋型多光程池进行抽真空。

3.根据权利要求1所述的测量气体浓度的螺旋型多光程装置，其特征在于，所述激光光源模块包括激光温度和电流控制器，激光器，所述激光温度电流控制器用于激光器的温度和电流调节和控制，从而达到波长的调谐。

4.根据权利要求3所述的测量气体浓度的螺旋型多光程装置，其特征在于，所述输出信号检测模块包括光电探测器、锁相放大器、和A/D转换电路，所述光电探测器用于探测从所述出射窗口输出的光束，并将探测得到光信号转化为电信号，所述锁相放大器对所述电信号进行放大和滤波以及解调成为模拟信号，所述A/D转换电路用于将解调出的模拟信号转化为数字信号。

5.根据权利要求4所述的测量气体浓度的螺旋型多光程装置，其特征在于，所述测量气体浓度的螺旋型多光程装置还包括高频调制电路和MCU，

所述高频调制电路用于为所述激光器输入高频率正弦波信号，以及为所述锁相放大器输入高频率正弦波参考信号，所述锁相放大器通过所述高频率正弦波参考信号为所述电信号进行解调；

所述MCU用于控制激光温度和电流并输出低频三角波，以及对所述A/D转换电路的输出数字信号进行采集与处理。

6.根据权利要求2所述的测量气体浓度的螺旋型多光程装置，其特征在于，所述螺旋型多光程池还包括入射窗口密封阀和出射窗口密封阀，

所述入射窗口密封阀包括入射窗底盘、第一平面镜和入射窗顶盘，所述入射窗底盘有0-15°的倾斜度，所述入射窗底盘密封安装在所述入射窗口上，所述第一平面镜通过所述入射窗顶盘密封安装在所述入射窗底盘上；

所述出射窗口密封阀包括出射窗底盘、第二平面镜和出射窗顶盘，所述出射窗底盘有0-15°的倾斜度，所述出射窗底盘密封安装在所述出射窗口上，所述第二平面镜通过所述出射窗顶盘密封安装在所述出射窗底盘上。

7.根据权利要求2所述的测量气体浓度的螺旋型多光程装置，其特征在于，所述螺旋型多光程池还包括第一密封内盖和第二密封内盖，所述第一密封内盖用于密封所述进气口，所述第二密封内盖用于密封所述出气口。

8.根据权利要求1所述的测量气体浓度的螺旋型多光程装置，其特征在于，还包括薄透镜，所述薄透镜位于所述入射窗口前，用于将所述激光光源模块射出的激光会聚到所述凹面螺旋光学腔的中心轴附近。