CN108444972A - 一种基于毛细管增强的激光气体拉曼光谱探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体检测方法，特别是一种基于毛细管增强的激光气体拉曼光谱探测系统。包括左腔镜、右腔镜、两端带布鲁斯特窗的高压氦氖管、毛细管、三棱镜、气体探测模块和气体室，左腔镜、高压氦氖管、毛细管、三棱镜和右腔镜从左至右依次放置、且中心点在同一轴线上，毛细管管壁两侧镀膜，毛细管左部上侧连接气体通入管、右部下侧连接气体通出管，气体通出管、三棱镜和右腔镜设置气体室中，气体探测模块设置于气体室顶部。本发明的激光气体拉曼光谱探测系统成功实现了包含氧气和氮气混合气体的在线实时检测，并将空气腔与探测系统融为一体，具有结构紧凑、稳定性高、可靠度高、便于操作等特点；同时可以测量多种气体，灵敏度高，便于维护。

Description

一种基于毛细管增强的激光气体拉曼光谱探测系统

技术领域

本发明涉及一种气体检测方法，特别是一种基于毛细管增强的激光气体拉曼光谱探测系统。

背景技术

石油、天然气等能源的开采过程中存在着大量的混合气体，油气开采中的关键就是如何有效地将这些混合气体中的不同气体成分检测出来。

传统的多组分气体分析方法有：气相色谱法、红外光谱分析法、紫外差分光度法、热导分析法以及以各种电化学式气体传感器为代表的电化学分析法，这些方法大都难以同时实现对有机及无机气体的同时检测。其中气相色谱法需要利用色谱柱对气体进行分离富集，费时、费力、费用高，且仪器所需耗材众多、维护复杂，导致其检测效率偏差，难以满足工业气体实时检测的需求。红外光谱分析法和紫外差分光度法无法检测非极性气体成分，而热导分析法为非特异性物理检测技术，其传感器应用范围较窄，使用时限制因素较多，无法满足工业气体特别是复杂气体的多组分同时检测。电化学式气体传感器虽然体积小、价格低，但其对气体的识别度不高，使用中经常受到环境气体干扰而出现误报、漏报的情况，且传感器易中毒、使用寿命低，因此无法满足工业气体检测的精度要求。因此，寻求一种有效的气体检测方法，该方法应能连续有效地分辨出多种气体，并有着较高的精度，对石油化工的发展有着极大的意义。

激光气体拉曼光谱技术的应用，是基于拉曼散射效应，即，在透明介质的散射光谱中，频率与入射光频率υ0相同的成分称为瑞利散射；频率对称分布在υ0两侧的谱线或谱带υ0±υ1即为拉曼光谱。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究谱线特征，几乎所有包含真实的分子键的物质都可以用于拉曼光谱分析，即固体、粉末、软膏、液体、胶体和气体都可以使用拉曼光谱进行分析。在激光气体拉曼光谱技术中，需要检测的气体与激光混合产生拉曼信号，混合光通过探测模块收集，探测模块处理信号后送计算机分析生成拉曼光谱图，通过分析拉曼光谱图，即可得到被检测气体的分子结构，获知不同气体成分。

现有的激光气体拉曼光谱技术，如申请号为ZL201120284529.2、专利名称为“一种录井拉曼光谱检测系统”的实用新型专利，拉曼气体分析仪包括进气管线、排气管线、样品分析腔、氦-氖激光等离子单元、光学仪器组和光传感器，设计中采用的是单路谐振腔，利用激光在两面反射镜之间来回震荡，不仅激光强度难以得到保障，杂散光也难已消除，导致直接测试的信号太弱，对判别气体种类产生影响。

发明内容

针对以上不足，本发明提供了一种基于毛细管增强的激光气体拉曼光谱探测系统，采用了全新的毛细管来实现增强气体拉曼光谱，将气体腔与激探测系统融合在一起，不仅降低了气体探测时的噪声，减少了拉曼信号的损耗，同时还消除了光路中杂散光的影响。

本发明的技术方案为：

一种基于毛细管增强的激光气体拉曼光谱探测系统，包括左腔镜、右腔镜、高压氦氖管、毛细管、三棱镜、气体探测模块和气体室，所述左腔镜、高压氦氖管、毛细管、三棱镜和右腔镜从左至右依次放置、且中心点在同一轴线上，所述高压氦氖管两端带布鲁斯特窗，所述毛细管管壁两侧镀膜，毛细管左部上侧连接气体通入管、右部下侧连接气体通出管，所述气体通出管、三棱镜和右腔镜设置气体室中，所述气体探测模块设置于气体室顶部。

所述毛细管两侧镀膜对称，单侧膜覆盖的圆弧的圆心角Φ为120°。

所述毛细管的直径为2.5mm-3.5mm。

所述高压氦氖管产生波长为632.8nm的激光。

所述气体探测模块包括滤光片、单色仪和传感器，所述滤光片用于滤去杂散光，所述单色仪用于将收集到的信号光送至传感器进行检测。

本发明的有益效果在于：本发明基于毛细管增强的激光气体拉曼光谱探测系统，采用将气体腔、激光谐振腔与气体探测融为一体的结构，避免了气体拉曼信号的损耗，同时也有效的避免了系统的结构松散；采用毛细管，一方面通过布鲁斯特窗与小孔光阑的组合有效消除了杂散光带来的影响；另一方面通过两侧镀膜增强拉曼信号降低了系统的噪声。系统具有拉曼光谱技术和高精度检测的特点，能同时在线检测多种气体，并进行实时在线分析。整个系统紧凑，可靠性高，检测效果优良，具有较好的操作性。

附图说明

图1为本发明基于毛细管增强的激光气体拉曼光谱探测系统结构图；

图2为图1中A-A线的剖视图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

参考图1，本发明的基于毛细管增强的激光气体拉曼光谱探测系统，包括左腔镜101、右腔镜102、两端带布鲁斯特窗202的高压氦氖管2、毛细管3、三棱镜4、气体探测模块5和气体室7，左腔镜101、高压氦氖管2、毛细管3、三棱镜4和右腔镜102从左至右依次放置、且中心点在同一轴线上，高压氦氖管2上、下侧设置有磁钢203，毛细管3左部上侧连接气体通入管302、右部下侧连接气体通出管303，所述气体通出管303、三棱镜4和右腔镜102设置气体室7中，所述气体探测模块5设置于气体室7顶部。气体探测模块5包括滤光片6、单色仪和传感器，滤光片6用于滤去杂散光，单色仪用于将收集到的信号光送至传感器进行检测。

布鲁斯特窗202利用光的偏振效应，可以滤除激光束中的S偏振，使P偏振完全透射，达到P光全透、多数S光反射的效果；毛细管3的直径为3mm，靠近毛细管3的布鲁斯特窗202与毛细管3口的小孔光阑组合，起到了加强对杂散光消除的作用，提高检测系统的精确度。参考图2，毛细管3管壁两侧对称镀膜301，单侧膜301覆盖的圆弧的圆心角Φ为120°，可以起到增强拉曼信号的作用。毛细管3的两侧镀膜301，上下进出气体，有效地将气体腔与谐振腔融合在一起，具有结构紧凑，稳定性高，便于操作等特点。

具体实施过程：

参考图1，波长为632.8nm的氦氖激光从高压氦氖管2发出，从高压氦氖管2右端射出，通过毛细管3左端进入，布鲁斯特窗202与毛细管3小孔光阑组合，起到了加强对杂散光消除的作用。被检测气体从气体通入管302进入毛细管3内，从气体通出管303排出；激光与气体在毛细管3内互相作用，产生拉曼信号，拉曼信号在毛细管3内因毛细管3管壁两侧镀膜301被不断增强，增加的拉曼信号从毛细管3右端输出，进入气体室7，再通过三棱镜4的色散分光，使得632.8nm的光束得到了反射加强。混合光被气体探测模块5收集，气体探测模块5中的滤光片6滤去大部分的杂散光，单色仪将收集到的信号光送由传感器检测，最后由计算机系统进行分析生成拉曼频谱图。

本发明的基于毛细管增强的激光气拉曼光谱探测系统，成功实现了包含氧气和氮气混合气体的在线实时检测，并将空气腔与探测系统融为一体，具有结构紧凑、稳定性高、可靠度高、便于操作等特点；同时可以测量多种气体，灵敏度高，便于维护。

以上公开的仅为本发明的实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于毛细管增强的激光气体拉曼光谱探测系统，其特征在于，包括左腔镜（101）、右腔镜（102）、高压氦氖管（2）、毛细管（3）、三棱镜（4）、气体探测模块（5）和气体室（7），所述左腔镜（101）、高压氦氖管（2）、毛细管（3）、三棱镜（4）和右腔镜（102）从左至右依次放置、且中心点在同一轴线上，所述高压氦氖管（2）两端带布鲁斯特窗（202），所述毛细管（3）管壁两侧镀膜（301），毛细管（3）左部上侧连接气体通入管（302）、右部下侧连接气体通出管（303），所述气体通出管（303）、三棱镜（4）和右腔镜（102）设置气体室（7）中，所述气体探测模块（5）设置于气体室（7）顶部。

2.根据权利要求1所述的基于毛细管增强的激光气体拉曼光谱探测系统，其特征在于，所述毛细管（3）两侧镀膜（301）对称，单侧膜（301）覆盖的圆弧的圆心角Φ为120°。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的基于毛细管增强的激光气体拉曼光谱探测系统，其特征在于，所述毛细管（3）的直径为2.5mm~3.5mm。

4.根据权利要求1或2中任一项所述的基于毛细管增强的激光气体拉曼光谱探测系统，其特征在于，所述高压氦氖管（2）产生波长为632.8nm的激光。

5.根据权利要求1或2中任一项所述的基于毛细管增强的激光气体拉曼光谱探测系统，其特征在于，所述气体探测模块（5）包括滤光片（6）、单色仪和传感器，所述滤光片（6）用于滤去杂散光，所述单色仪用于将收集到的信号光送至传感器进行检测。