CN105911020A - 一种基于光腔衰荡光谱技术同时测量多组分气体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光腔衰荡光谱技术同时测量多组分气体的方法，宽调谐光源输出光束进入到两端装有平凹高反射率腔镜的气体池，气体池内充入在激光器调谐范围内有吸收光谱的多组分混合气体。对激光器输出波长进行调谐，探测不同波长下的衰荡信号，通过单指数拟合获得不同波长下的衰荡时间，进而得到吸收系数与波长的关系曲线。对测得的混合气体谱线与数据库中各单个气体的标准吸收谱线做拟合处理，可以同时计算获得混合气体中不同气体的浓度。本发明利用宽调谐的激光光源可以获得内容更丰富的气体吸收谱，可以同时对多种气体进行实时测量，可以对具有宽谱吸收的大分子进行浓度检测，检测结果不受光源波动的影响。
Description
技术领域
本发明涉及气体浓度检测技术领域，特别涉及一种基于光腔衰荡光谱技术同时测量多组分气体的方法。
背景技术
多组分气体检测技术是工业生产过程控制、环境监测、国家安全等领域必备的重要检测手段。特别是在大气环境检测中，常见的污染气体种类较多，迫切需要具有多组分、高灵敏度、实时检测的方法。传统的测量方法是利用多个电化学传感器来对不同的气体进行测量，但是该方法测试精度有限，很难满足低浓度的目标气体检测。
目前，利用气体所具有的红外光谱特性来进行气体检测的方法已经得到了发展。其中，光腔衰荡技术作为一种高灵敏的光谱检测技术，被广泛应用于气体检测领域。它通过测量激光在衰荡腔内的衰荡时间确定腔内总损耗，在腔内充入吸收介质时可测量其吸收光谱、浓度等信息，从而避免了激光束自身强度漂移的影响。
通常的多组分气体光学检测方法是选择多个不同的波长，分别对不同的目标气体进行检测。这些波长附近，其它气体没有吸收或者吸收很小可以忽略，所以对单个目标气体的吸收没有干扰。可以分别得到不同组分气体在各自吸收峰处的吸收系数，进而获得气体的浓度信息。这会增加测试装置的复杂性，提高成本。此外在实际应用中，很多目标气体是大分子气体或者具有复杂转振结构的挥发气体，这些气体的特征吸收峰很宽，对于不同组分气体的混合气，其吸收光谱是交叠的，相互之间存在干扰，通过选择不同测量波长的方法难以避免其它气体的干扰，无法实现对其浓度的检测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对传统多组分气体检测仪器精度不足、现有的光学检测方法难以对具有宽谱吸收特征的气体进行多组分同时测量的问题，提出一种基于光腔衰荡光谱技术的多组分气体浓度测量方法，具有测量灵敏度高，结构简单，成本低廉且可实现多组分气体同时测量的优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于光腔衰荡光谱技术同时测量多组分气体的方法，实现步骤如下：
步骤(1)、波长可调谐激光入射到两端装有平凹高反射率腔镜的气体池，两平凹高反射镜凹面相对构成稳定的衰荡腔，部分光从一端耦合进入腔内，在两个高反射镜之间来回反射，在另一端输出的光经聚焦透镜聚焦到探测器上，得到衰荡腔输出信号；
步骤(2)、调谐激光器输出波长，关断入射光，由数据采集卡记录各波长λ下光腔输出的衰荡信号，并按单指数衰减函数拟合得各波长λ下的衰荡时间τ(λ)，然后利用关系式计算得到各波长λ下的气体吸收系数α(λ)，进而可绘制吸收系数α(λ)与波长λ关系曲线，即气体吸收光谱，其中τ0为腔内没有吸收时的衰荡时间，c为光速；
步骤(3)、利用公式a(λ)＝∑ci×ki(λ)拟合得到各组分气体的吸收系数占所测多组分混合气吸收系数的比例ci，进而可计算出各组分气体浓度，其中ki(λ)是标准数据库中给出的各组分标准浓度气体吸收系数谱。
其中，所述的构成衰荡腔的两块平凹高反射镜的反射率在激光器扫描范围内大于99.9％，所构成的衰荡腔为稳定腔或者共焦腔，腔长L满足0<L≤2r，其中r为平凹高反镜凹面的曲率半径。
其中，所述的光源是可宽调谐的连续激光器，其调谐范围应覆盖待测宽谱吸收气体一个完整的吸收峰轮廓。
其中，所述的方法中利用光隔离器防止腔镜的直接反射光反馈回激光器，以免对激光器输出产生影响；利用声光调制器关断连续的激光束产生衰荡信号，当探测器探测到的光信号大于设定的阈值时，计算机产生一个触发信号控制声光调制器关断入射光。
其中，所述的窄线宽激光与衰荡腔的耦合可通过腔长调制实现。
其中，所述的各组分气体的吸收光谱与压力和温度相关，通过在气体池中集成温度和压力检测装置对检测过程中气体池内气体状态实时监控。
本发明和现有技术相比具有的优点：
(1)本发明通过测量光在光腔中的衰荡时间间接获得吸收系数，所测结果不受激光器光强波动的影响，具有较高的信噪比和抗干扰能力；
(2)本发明系统光路结构简单，易于搭建调节，数据处理十分方便，大大降低了测量的成本；
(3)本发明所述的激光器波长可宽调谐，覆盖波长范围很广，可以实现多组分气体同时、高精度测量，特别是能够对具有宽谱吸收特征的气体进行测量。
附图说明
图1为本发明的基于光腔衰荡光谱技术的多组分气体同时测量装置示意图；
图2为本发明的实施例的气体的吸收光谱曲线的拟合结果；
图1中：1为光源，2为光隔离器，3为声光调制器，4为633nm的He-Ne激光器，5为测量腔，6为探测器，7为高速数字采集卡，8为计算机，9为函数发生器，10为温度传感器，11为压力传感器，12为真空泵，13为聚焦透镜，14为压电陶瓷，15为分光镜，16为光源波长调谐控制器。
具体实施方式
下面结合附图1描述本发明的基于光腔衰荡光谱技术的多组气体同时测量方法。
本实施例以高光束质量(TEM00模)的宽调谐量子级联激光器为光源1，调谐范围为2600-2725cm-1，最小调谐步长0.01cm-1；由两块相同的、凹面镀高反射膜的平凹高反射镜(反射率大于99.9％)凹面相对构成衰荡腔，衰荡腔为稳定腔或共焦腔，腔长L满足0＜L≤2r，其中r为腔镜凹面的曲率半径；衰荡腔镜安装于气体池两端，衰荡腔与样品池组成密封的测量腔5；激光光束经光隔离器2和声光调制器3后进入衰荡腔并在腔内振荡传输，从衰荡腔后腔镜透射的激光束由聚焦透镜13会聚到快速红外探测器6，探测器6将光信号转化成电信号，转换后的电信号由数据采集卡7记录并输入计算机8处理及存储；在其中一个腔镜上安装压电陶瓷(PZT)14，由函数发生器9产生三角波信号周期性驱动压电陶瓷14来调谐衰荡腔长，以实现窄线宽激光与谐振腔的耦合。为便于光路调节由高反镜和分光镜15引入可见的He-Ne光源4。
由于酒精和乙醚在激光器调谐范围内存在吸收，下面以酒精和乙醚的混合气光谱测量为例，介绍基于光腔衰荡光谱技术的多组气体同时测量方法的具体步骤。
首先腔内充入干燥的酒精、乙醚气体和氮气的混合气体，利用压力控制装置12保证腔内压强稳定，调节两个腔镜俯仰使光腔输出信号幅值最大，通过激光器的波长控制器16来调谐量子级联激光器输出波长，调谐步长为0.2cm-1。当探测器6探测到的光信号大于设定的阈值时，计算机8产生一个触发信号传递给声光调制器3用于关断入射光，由数据采集卡7记录各波长λ下光腔输出的衰荡信号，并按单指数衰减函数对所测数据进行拟合，得到各波长λ下的衰荡时间τ(λ)，其中A、B为拟合系数；进而计算得到气体吸收系数α(λ)。
然后绘制出气体吸收系数α(λ)与λ的气体吸收光谱曲线如图2所示，并对该曲线按照a(λ)＝∑ci×ki(λ)进行拟合处理，进而分别计算得到酒精和乙醚的浓度分别为14.75ppm和6.65ppm，这里ki(λ)是红外光谱数据库中已知浓度的酒精和乙醚吸收系数。
总之，本发明提出了基于光腔衰荡光谱技术的多组气体同时测量方法，其测量结果不受激光器强度波动的影响，该方法的具有结构简单，覆盖波长范围广，测量精度高，抗干扰能力强等优点。
Claims (6)
1.一种基于光腔衰荡光谱技术同时测量多组分气体的方法，其特征在于：实现步骤如下：
步骤(1)、波长可调谐激光入射到两端装有平凹高反射率腔镜的气体池，两平凹高反射镜凹面相对构成稳定的衰荡腔，部分光从一端耦合进入腔内，在两个高反射镜之间来回反射，在另一端输出的光经聚焦透镜聚焦到探测器上，得到衰荡腔输出信号；
步骤(2)、调谐激光器输出波长，关断入射光，由数据采集卡记录各波长λ下光腔输出的衰荡信号，并按单指数衰减函数拟合得各波长λ下的衰荡时间τ(λ)，然后利用关系式计算得到各波长λ下的气体吸收系数α(λ)，进而可绘制吸收系数α(λ)与波长λ关系曲线，即气体吸收光谱，其中τ0为腔内没有吸收时的衰荡时间，c为光速；
步骤(3)、利用公式a(λ)＝∑ci×ki(λ)拟合得到各组分气体的吸收系数占所测多组分混合气吸收系数的比例ci，进而可计算出各组分气体浓度，其中ki(λ)是标准数据库中给出的各组分标准浓度气体吸收系数谱。
2.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术同时测量多组分气体的方法，其特征在于：构成衰荡腔的两块平凹高反射镜的反射率在激光器扫描范围内大于99.9％，所构成的衰荡腔为稳定腔或者共焦腔，腔长L满足0<L≤2r，其中r为平凹高反镜凹面的曲率半径。
3.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术同时测量多组分气体的方法，其特征在于：光源是可宽调谐的连续激光器，其调谐范围应覆盖待测宽谱吸收气体一个完整的吸收峰轮廓。
4.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术同时测量多组分气体的方法，其特征在于：利用光隔离器防止腔镜的直接反射光反馈回激光器，以免对激光器输出产生影响；利用声光调制器关断连续的激光束产生衰荡信号，当探测器探测到的光信号大于设定的阈值时，计算机产生一个触发信号控制声光调制器关断入射光。
5.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术同时测量多组分气体的方法，其特征在于：窄线宽激光与衰荡腔的耦合可通过腔长调制实现。
6.根据权利要求1所述的一种基于光腔衰荡光谱技术同时测量多组分气体的方法，其特征在于：各组分气体的吸收光谱与压力和温度相关，通过在气体池中集成温度和压力检测装置对检测过程中气体池内气体状态实时监控。
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