CN108051384A - 一种基于空心光纤的便携式差分吸收光谱气体测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空心光纤的便携式紫外吸收光谱气体测量系统，由光源，光纤接头，空心光纤，探测器，气泵和锂电池等构成。光源发出的光辐射直接耦合进入空心光纤，同时，采样气流也通过光纤接头进入空心光纤，光辐射在充满采样气流的空心光纤内传输至光谱仪探测器，获得吸收光谱。该系统结合空心光纤特点，将样品吸收池与传统晶体光纤相融合，极大简化了传统便携式差分吸收光谱测量系统结构。该系统可根据实际探测需求，通过增加空心光纤长度来提高待测气体的光学吸收厚度；空心光纤采用圆形多层绕行叠放排列方式，在较小的空间范围实现很长的吸收光程。本发明具备高灵敏度、高精度和轻量化的特点，且无需外部供电，实现待测气体快速监测。
Description
技术领域
本发明属于一种光学测量方法领域，具体涉及一种基于空心光纤的便携式差分吸收光谱气体测量系统。
背景技术
20世纪70年代，差分吸收光谱技术(DOAS)由德国Heidelberg大学环境物理研究所的U.Platt等人提出，该技术主要是以大气中的痕量污染气体对紫外和可见波段的特征吸收为基础，通过特征吸收光谱对大气污染气体进行定性识别和定量检测。DOAS技术基于分子的宽带光谱吸收原理，利用空气中的污染成份对UV/VIS波段的吸收特征来定量分析，即每种污染气体都有其独特的“指纹”吸收光谱特征的，具有原位在线测量、多组分气体同时测量、测量精度高、可实时在线监测等优点，目前已广泛应用于大气痕量气体成份的探测及污染应急监测。
经典差分吸收光谱气体测量系统采用开放光路设计，其体积较大，且不易携带。随着光电技术的快速发展，光学器件趋于小型化，国内外出现了采用多次反射池的便携式紫外现场分析系统，该系统将差分吸收光谱技术、光纤光谱仪与多次反射池技术相结合，具有小型、便携的特点，在污染重的区域、工厂、车间、室内以及污染泄漏事故中的移动快速应急监测，实现紫外吸收光谱的高效测量，在具有较低的检测下限的同时也满足便携式测量的目的，且能够满足移动快速的应急监测，但其光学结构相对复杂，对机械加工和紫外镜片镀膜等工艺较高，且系统体积仍相对较大，重量较重。
近年，出现了一种新型的带隙空心光子晶体光纤，图1所示为典型空心光纤产品端面图。这种光纤在外观上与传统光纤相同，但空心光子晶体光纤的导光机制与传统光纤完全不同，并非在二氧化硅基质中传播，它是由空气包层的光子带隙效应将光限制在空气纤芯中传输的，光线穿过空心到达边沿时，光子晶体会弹回光子新型的空心光子带隙纤维，通过在光纤包层中产生光子带隙可以将光限制在中央的空心核中传播。正是空心光纤的这种特性，使本发明成为可能。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有技术不足，基于空心光纤的便携式差分吸收光谱气体测量系统具备高灵敏度、高精度、小型化和轻量化的特点，该系统采用空心光纤设计，样品吸收池与光学传导装置相重合，实现了光学耦合系统、样品吸收池和传统晶体光纤的作用，使光辐射在采样气流中传播，极大简化了传统便携式差分吸收光谱测量系统结构，实现吸收光谱的高效测量，在具有较低的检测下限的同时也满足便携式测量的目的，且能够满足移动快速的应急监测。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于空心光纤的便携式差分吸收光谱气体测量系统，包括光源，光纤接头，空心光纤，光谱仪探测器，进样管，气溶胶过滤器，气泵等。光源发出的光辐射直接耦合进入空心光纤，同时，采样气流也通过进样管传输至光纤接头进入空心光纤，光辐射在充满采样气流的空心光纤内传输至光谱仪探测器，根据空心光纤长度，对吸收光谱进行差分吸收光谱算法解析即可获得待测气体浓度。
为满足探测测量气体足够的光学吸收厚度，空心光纤可以采用圆形多层绕行叠放方式，在极小的空间范围可以明显提高待测气体吸收光程，达到高灵敏度的测量特点。
所述光源可以采用LED，氘灯，氙灯等光源，提供稳定的光学辐射，可根据实际探测要求，增加光源固定装置和控温装置。
所述的光纤头为T型设计，分别连接气管，空心光纤，和光源(探测器)，具备较好的气密性，保证气流不外漏。
所述的气溶胶过滤器用于过滤采样气流中的气溶胶等，用于保护测量系统不易受污染。
所述的气泵用于待测气体采样使用，可以使用微型低功耗气泵。
所述的锂电池用于系统供电，系统可在无外部供电的情况下长时间连续运行。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)在原理与传统差分吸收光谱系统相似，因此具备差分吸收光谱技术的优点：原位、直接测量方式，同时在线测量多种气体，精度高，线性度好等等。
(2)本发明提出的一种基于空心光纤的便携式差分吸收光谱气体测量系统结构非常简单，仅由光源，光纤接头，空心光纤，光谱仪探测器和气泵等构成，所需器件很少，同时空心光纤可以采用圆形多圈方式，整体结构紧凑，小巧，适合便携式使用。
(3)相比于传统便携式差分吸收光谱系统，需要前后准直耦合透镜以及多次反射池，会损失很多光辐射。本发明提出的一种基于空心光纤的便携式差分吸收光谱气体测量系统，光源发出的光直接耦合进入空心光纤，然后传输至光谱仪，极大简化了光学系统，光学系统有效能量利用效率非常高。同时，本发明对机械加工和紫外镜片镀膜等要求较低。
(4)本发明可以根据实际探测灵敏度的需要，更换不同长度的空心光纤。
(5)本发明采用低功耗设计，并内置锂电池，可在无外部供电的特殊环境下长时间连续运行，特别适合应急监测等。
附图说明
图1是典型空心光纤产品端面截面图。
图2是本发明提出的基于空心光纤的便携式差分吸收光谱气体测量系统结构示意图。
图中附图标记含义为：1为光源，2为光纤接头，3为空心光纤，4为光谱仪探测器，5为进样管，6为气溶胶过滤器，7为气泵，8为锂电池。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
实施例1
如图2所示，本发明一种基于空心光纤的便携式差分吸收光谱气体测量系统，包括光源1，光纤接头2，空心光纤3，光谱仪探测器4，进样管5，气溶胶过滤器6，气泵7和锂电池8。其中：
光源1发出的光辐射直接耦合进入空心光纤3，同时，采样气流也通过进样管5传输至光纤接头2进入空心光纤3，光辐射在充满采样气流的空心光纤内传输至光谱仪探测器4，根据空心光纤长度，对吸收光谱进行差分吸收光谱算法解析即可获得待测气体浓度。
根据不同的测量需求，可以选择不同类型的系统组件：根据测量气体的不同，需要优选合适拟合波段，要对应相应的光源与光谱仪探测器，例如测量大气NH3、H2S、苯系物等深紫外吸收波段，可以选择氘灯作为光源，若测量HONO和NO2等，可以选用低功耗的LED作为光源；根据测量气体量程的需要，则需要考虑空心光纤的长度，通过增加空心光纤的长度，提高测量气体的吸收光程来提高系统探测灵敏度，同时空心光纤可以采用圆形多圈方式，在极小的空间范围可以明显提高待测气体吸收光程，达到高灵敏度的测量特点。
系统结构简单，功耗低，整理功耗仅几十瓦，可以采用内部锂电池作为供电源，实现系统的应急使用。
实施例2
本发明提出的基于空心光纤的便携式差分吸收光谱气体测量系统所用的探测器不局限于光谱仪探测器，也可采用窄带滤光片和光电转化电路等相结合的方式进行吸收信号强度判断，并通过判断某处波长的吸收强度信号来计算出吸收气体浓度，其中光电转换电路可以由光电二极管及其偏置电源电路组成，偏置电源电路提供光电二极管反向偏置电流，光电二极管将吸收信号转换成电流信号再进行处理分析。
实施例3
本发明提出的测量系统也可以不使用气溶胶过滤膜，即获取的直接结果为光学消光系数，再应用差分吸收光谱算法，可以计算反演得到气溶胶消光系数和吸收气体浓度。
Claims (7)
1.一种基于空心光纤的便携式差分吸收光谱气体测量系统，其特征在于：包括光源(1)，光纤接头(2)，空心光纤(3)，光谱仪探测器(4)，进样管(5)，气溶胶过滤器(6)，气泵(7)和锂电池(8)，光源(1)发出的光辐射直接耦合进入空心光纤(3)，同时，采样气流也通过进样管(5)传输至光纤接头(2)进入空心光纤(3)，光辐射在充满采样气流的空心光纤内传输至光谱仪探测器(4)，根据空心光纤长度，对吸收光谱进行差分吸收光谱算法解析即可获得待测气体浓度。
2.根据权利要求1所述的一种基于空心光纤的便携式差分吸收光谱气体测量系统，其特征在于：为满足某些探测测量气体足够的光学吸收厚度，空心光纤可以采用圆形多层绕行叠放方式，在极小的空间范围可以明显提高待测气体吸收光程，达到高灵敏度的测量特点。
3.根据权利要求1所述的一种基于空心光纤的便携式差分吸收光谱气体测量系统，其特征在于：所述光源可以采用LED，氘灯，氙灯等光源，提供稳定的光学辐射，可根据实际探测要求，增加光源固定装置和控温装置。
4.根据权利要求1所述的一种基于空心光纤的便携式差分吸收光谱气体测量系统，其特征在于：所述的光纤头为T型设计，分别连接气管，空心光纤，和光源(探测器)，具备较好的气密性，保证气流不外漏。
5.根据权利要求1所述的一种基于空心光纤的便携式差分吸收光谱气体测量系统，其特征在于：所述的气溶胶过滤器用于过滤采样气流中的气溶胶等，用于保护测量系统不易受污染。
6.根据权利要求1所述的一种基于空心光纤的便携式差分吸收光谱气体测量系统，其特征在于：所述的气泵用于待测气体采样使用，可以使用微型低功耗气泵。
7.根据权利要求1所述的一种基于空心光纤的便携式差分吸收光谱气体测量系统，其特征在于：所述的锂电池用于系统供电，确保系统可在无外部供电的情况下长时间连续运行。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180518 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |