CN108007901A - 一种检测多组分痕量气体浓度的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种将激光吸收光谱技术应用于痕量气体浓度检测的方法与装置。采用可调谐激光器作为光源，根据目标气体分子的特征吸收谱线选择测量波段，将所测得的数据与HITRAN标准数据库对比，利用测得的吸收光谱信号对浓度进行反演。装置结构简单，操作简便，响应时间短。通过在吸收池后方放置一面全反镜，使投射过谐振腔的激光经反射再次进入谐振腔与腔内气体作用，提高了系统灵敏度。通过改变激光器的发射波长，可实现对多组分气体中各种痕量气体进行精确探测。

Description

一种检测多组分痕量气体浓度的方法与装置
技术领域
本发明属于激光吸收光谱领域，具体涉及一种多组分气体中各痕量气体浓度检测装置。
背景技术
痕量气体检测如今在各大领域应用越来越广泛，包括工业、环境、医疗以及石油、化工、冶金等存在易燃、易爆、毒性气体的危险场所等。近年来大气环境问题日益突出，随着全球气候变暖，大气中温室气体的浓度也在不断提高，而环境检测方面，对大气中污染痕量气体准确定量检测非常重要。
痕量气体检测的方法主要包括质谱分析、电子鼻以及光谱学检测等。质谱分析是非常敏感的，能够检测非常少量的分析物分子。然而，当存在几种分子时，质谱分析难以鉴定混合物的各成分。为了解决这个问题，质谱分析通常与气相色谱联合使用，以便在测量之前分离混合物的各种组分，但仍需较长时间来进行测量。电子鼻得到的是样品中挥发成分的整体信息，无法得到各种成分定性和定量的结果。如果待测样品成分相当较为复杂，对检测结果也会造成一定影响。
随着激光器的迅速发展，激光技术的发展蒸蒸日上，激光器因其功率高、单色性好、光强稳定等特点，在工业、环境、医疗等领域产生了重大影响。光学仪器变得越来越便宜，更紧凑可靠，设计用于检测痕量气体的光学检测系统也越来越多。伴随着激光器性能和制造技术的不断进步以及激光光谱技术的日趋成熟，高灵敏度的激光光谱技术已经应用到制造业、工业、环境、医疗等诸多行业。将激光吸收光谱用于痕量气体浓度测量，结合了高灵敏度和高选择性，根据目标气体的特征吸收谱线调谐激光器的发射波长实现对痕量气体进行精确探测。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种基于直接吸收光谱法对目标气体中多种痕量气体检测装置及方法，针对所测气体选取特征吸收谱线，以可调谐激光器作为光源。检测系统结构简单，灵敏度高，易于操作，通过在吸收池后方放置一面全反镜，使投射过谐振腔的激光经反射再次进入谐振腔与腔内气体作用，提高了系统灵敏度。对于测量不同气体只需改变激光器的发射波长，从而更加全面地对气体中各种痕量气体进行精确探测。
本发明通过以下技术方案实现：具体包括以下步骤：
（1）、根据所测气体特征吸收谱线以设定激光器（1）中心波长，通过激光控制单元（14）周期性改变激光器电流扫描波长，输出的激光通过光隔离器，抑制来自谐振腔的光学反馈；前方设有二道反射镜和合束片（4），通过第一反射镜（5）和第二反射镜（6）使激光上下左右可调，以此扩大光路的调节范围；偏振耦合镜（7）前方放置1/4波片（8），改变激光的偏振态；激光耦合到气体吸收池（11），在气体吸收池（11）后方放置一面全反镜（12），使投射过谐振腔的激光经反射再次进入谐振腔与腔内气体作用；反射回激光经1/4波片（8），此时激光的偏振态与原激光正交，再经偏振耦合镜（7）反射到光电探测器（13），由数据采集卡（15）对探测到的吸收信号进行采集，最终在计算机（16）中进行显示与存储，得到所测气体的吸收光谱信号；系统也可采用腔衰荡吸收光谱技术，可在第二反射镜（6）后方增加声光调制器（17），实验中分别测量空腔的衰荡时间和腔内含有目标气体时的衰荡时间，从而得到目标气体的吸收系数。此外，采用不可见光作为光源时，还包括633nm的He-Ne激光器（3）所发出的红光经合束片（4）所为指示光，辅助调节光路；
（2）、对于测量多组分气体中目标气体，根据所测气体特征吸收谱线以选取测量波段；谱线的选取首先应当避免与其他气体交叉干扰，其次为满足检测精确度和灵敏度的要求，选择线强最强的谱线；
（3）、将待测气体由进气口通入气体吸收池（11），通过压力控制器控制腔内压强，根据选择的谱线设置激光器的中心波长，通过激光控制单元（14）周期性改变激光器电流扫描波长，获得完整的气体吸收光谱。最终将探测器接收的吸收光谱信号与HITRAN数据库中目标气体的吸收谱线进行对比；
（4）、利用HITRAN数据库提供的谱线参数对目标气体的浓度进行反演，反演过程基于郎伯-比尔定律。
激光出射前方首先摆置光隔离器（2），隔离器(2)后方放置合束片（4）、第一反射镜（5）和第二反射镜（6）；气体吸收池前方先后放置偏振耦合镜（7）和1/4波片（8），后方放置一道高反镜（12）；偏振耦合镜（7）下方依次设有探测器（13）、数据采集卡（15），数据采集卡（15）和激光控制单元（14）接入计算机（16）控制；在合束片上方放置He-Ne激光器（3）作为指示光，辅助调节光路；此外使用腔衰荡技术还包括声光调制器（17），置于偏振耦合镜（7）前方。
检测中，将待测气体充入谐振腔内直接进行测量，谐振腔同时兼做气体吸收池（11）；气体吸收池（11）中入射镜（9）、出射镜（10）和全反镜（12）反射率大于99%，使激光在腔内经过多次反射，投射过谐振腔的激光经全反镜（12）反射再次进入谐振腔。
全反镜（12）可为平面镜或者凹面镜。
其中激光器（1）为常温下工作可调谐连续激光器，也可针对目标气体特征吸收波段采用多台激光器。激光光谱线宽很窄，其线宽小于10MHZ。
光隔离器（2）波段范围覆盖激光器发射波长范围，抑制来自谐振腔的光学反馈。
本发明的优点是将激光吸收光谱技术运用气体检测分析，采用可调谐激光器，激光器能实现连续的单模激射，光强波动小，使测量结果具有稳定性和抗干扰能力。对于成分复杂的吸收气体，针对各组分气体特征吸收谱线，只需改变激光器发射波长，完成对各种成分含量的检测，装置结构简单，操作简便，可靠性高，结合高反射率镜片，使反射回来的光重新进入腔内，提高系统的灵敏度。系统也可采用腔衰荡吸收光谱技术，使测量结果不受光源稳定性影响，测量精度大大提高。
附图说明
附图1给出了检测多组分痕量气体浓度的装置原理图。
附图2给出了采用腔衰荡吸收光谱技术的装置原理图。
具体实施方式
如附图1所示，该装置包括激光器（1）、激光控制单元（14）、光隔离器（2）、He-Ne激光器（3）、合束片（4）、第一反射镜（5）、第二反射镜（6）、全反镜（12）、偏振耦合镜（7）、1/4波片（8）、气体吸收池（11）、光电探测器（13）、数据采集卡（15）、计算机（16）、声光调制器（17）。
首先设定激光器（1）中心波长，通过激光控制单元（14）周期性改变激光器电流扫描波长，输出的激光通过光隔离器，抑制来自谐振腔的光学反馈。当采用紫外或红外激光器作为光源时，采用633nm的He-Ne激光器的出射光作为指示光，辅助调节光路，经合束片反射后与合束片投射过的中红外激光重合。通过第一反射镜（5）和第二反射镜（6）使激光上下左右可调，以此扩大光路的调节范围。激光耦合到气体吸收池（11），在气体吸收池后方放置一面全反镜（12），使投射过谐振腔的激光经反射再次进入谐振腔与腔内气体作用，从而在原有的腔增强基础上进一步提高系统灵敏度。反射回激光经1/4波片，经偏振耦合镜反射由数据采集卡（15）对光电探测器（13）探测到的吸收信号进行采集，最后在计算机（16）中显示与存储，得到所测气体的吸收光谱信号；
系统也可采用强衰荡吸收光谱技术，可在第二反射镜（6）后方增加声光调制器（17），实验中分别测量空腔的衰荡时间和腔内含有目标气体的衰荡时间，从而得到目标气体的吸收系数。测量结果不受光源稳定性影响，测量精度大大提高；
对于测量多组分气体中目标气体，根据所测气体特征吸收谱线以选取测量波段。谱线的选取首先应当避免与其他气体交叉干扰，其次为满足检测精确度和灵敏度的要求，选择线强最强的谱线；
将待测气体由进气口通入气体吸收池，通过压力控制器控制腔内压强，根据选择的谱线设置激光器的中心波长，通过激光控制单元（14）周期性改变激光器电流扫描波长，获得完整的气体吸收光谱。最终将探测器接收的吸收光谱信号与HITRAN数据库中目标气体的吸收谱线进行对比；
利用HITRAN数据库提供的谱线参数对目标气体的浓度进行反演，反演过程基于郎伯-比尔定律。

Claims (6)

1.一种检测多组分痕量气体浓度的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
（1）、根据所测气体特征吸收谱线以设定激光器（1）中心波长，通过激光控制单元（14）周期性改变激光器电流扫描波长，输出的激光通过光隔离器，抑制来自谐振腔的光学反馈；前方设有二道反射镜和合束片（4），通过第一反射镜（5）和第二反射镜（6）使激光上下左右可调，以此扩大光路的调节范围；偏振耦合镜（7）前方放置1/4波片（8），改变激光的偏振态；激光耦合到气体吸收池（11），在气体吸收池（11）后方放置一面全反镜（12），使投射过谐振腔的激光经反射再次进入谐振腔与腔内气体作用；反射回激光经1/4波片（8），此时激光的偏振态与原激光正交，再经偏振耦合镜（7）反射到光电探测器（13），由数据采集卡（15）对探测到的吸收信号进行采集，最终在计算机（16）中进行显示与存储，得到所测气体的吸收光谱信号；系统也可采用腔衰荡吸收光谱技术，可在第二反射镜（6）后方增加声光调制器（17），实验中分别测量空腔的衰荡时间和腔内含有目标气体时的衰荡时间，从而得到目标气体的吸收系数；此外，采用不可见光作为光源时，还包括633nm的He-Ne激光器（3）所发出的红光经合束片（4）所为指示光，辅助调节光路；
（2）、对于测量多组分气体中目标气体，根据所测气体特征吸收谱线以选取测量波段；谱线的选取首先应当避免与其他气体交叉干扰，其次为满足检测精确度和灵敏度的要求，选择线强最强的谱线；
（3）、将待测气体由进气口通入气体吸收池（11），通过压力控制器控制腔内压强，根据选择的谱线设置激光器的中心波长，通过激光控制单元（14）周期性改变激光器电流扫描波长，获得完整的气体吸收光谱；最终将探测器接收的吸收光谱信号与HITRAN数据库中目标气体的吸收谱线进行对比；
（4）、利用HITRAN数据库提供的谱线参数对目标气体的浓度进行反演，反演过程基于郎伯-比尔定律。
2.一种检测多组分痕量气体浓度的装置，其特征在于：激光出射前方首先摆置光隔离器（2），隔离器(2)后方放置合束片（4）、第一反射镜（5）和第二反射镜（6）；气体吸收池前方先后放置偏振耦合镜（7）和1/4波片（8），后方放置一道高反镜（12）；偏振耦合镜（7）下方依次设有探测器（13）、数据采集卡（15），数据采集卡（15）和激光控制单元（14）接入计算机（16）控制；在合束片上方放置He-Ne激光器（3）作为指示光，辅助调节光路；此外使用腔衰荡技术还包括声光调制器（17），置于偏振耦合镜（7）前方。
3.如权利要求2所述的一种检测多组分痕量气体浓度的装置，其特征在于：检测中，将待测气体充入谐振腔内直接进行测量，谐振腔同时兼做气体吸收池（11）；气体吸收池（11）中入射镜（9）、出射镜（10）和全反镜（12）反射率大于99%，使激光在腔内经过多次反射，投射过谐振腔的激光经全反镜（12）反射再次进入谐振腔。
4.如权利要求2所述的一种检测多组分痕量气体浓度的装置，其特征在于：全反镜（12）可为平面镜或者凹面镜。
5.如权利要求2所述的一种检测多组分痕量气体浓度的装置，其特征在于：其中激光器（1）为常温下工作可调谐连续激光器，也可针对目标气体特征吸收波段采用多台激光器；激光光谱线宽很窄，其线宽小于10MHZ。
6.如权利要求2所述的一种检测多组分痕量气体浓度的装置，其特征在于：光隔离器（2）波段范围覆盖激光器发射波长范围，抑制来自谐振腔的光学反馈。
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