CN108548787B - 一种光谱仪精确测量硫化氢气体浓度的方法 - Google Patents

一种光谱仪精确测量硫化氢气体浓度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双波长窄脉宽精确测量硫化氢气体浓度的方法，包括如下步骤：一束泵浦光入射至第一谐振腔，形成第一检测激光；另一束泵浦光入射至第二谐振腔，形成第二检测激光；第一、第二检测激光直接传输到样品池(22)，在所述样品池(22)内多次反射后，从所述样品池(22)的光出射口(23)射出，经可调会聚透镜(24)会聚到吸收光谱仪(25)中，所述光谱仪(25)把接收的光信号转化为电信号传递给计算机(26)，计算机(26)通过分析计算第一检测激光的测量值N1和第二检测激光的测量值N2，获得精确的气体浓度值N。本发明通过采用双波长进行测量，相互作为参考标准进行脉宽校对，获得了精确的测量结果，满足了高精度下硫化氢气体的检测。

Description

一种光谱仪精确测量硫化氢气体浓度的方法
技术领域
本发明涉及一种硫化氢气体浓度的检测方法，特别是一种双波长窄脉宽精确测量硫化氢气体浓度的方法。
背景技术
工业和商业通常需要对一定空间内的有害气体进行精确测量，以确保这一空间范围内的安全性。目前，需要防止的有害气体包括SO2、H2S、CO等。所诉的有害气体是否满足特定纯度界限和/或这些气体的排放是否符合环境规定。诸如过程控制、排放和环境监控、安全性以及空气调节之类的典型应用需要精确的浓度测量。
波长调制光谱是一种增强气体测量的灵敏度的方式，在测量较小浓度时尤其重要。通常采用测量入射光和出射光的光谱强度，计算出被测气体的浓度。但现有的测量方法精度不高，对于一些要求不高的情况尚可接受，但是对于一些对精度要求较高的环境，现有的测量方法往往不能精确测量出该空间的有害气体浓度，因此，开发一种精确测量的系统方法十分有必要。
发明内容
本发明为了解决现有硫化氢气体浓度测量不精确的技术问题。提出了一种双波长窄脉宽精确测量硫化氢气体浓度的方法，包括如下步骤：
谱线宽度为0.1nm的光纤激光器1输出1064nm线偏振激光，经1064nm半反半透镜2分成两束泵浦光；
一束泵浦光入射至第一谐振腔，所述第一谐振腔包括第一反射镜4、第二反射镜9、第三反射镜3和第四反射镜10，入射光经第一反射镜4传输给第一晶体8；通过调节温度控制器使所述第一晶体8产生2636nm闲频光、1784nm信号光；所述2636nm闲频光、1784nm信号光和1064nm泵浦光在所述第一谐振腔振荡；所述第一谐振腔内还包括第一光隔离器5、第一1/2波片6、第一法布里-珀罗标准具7，所述第一光隔离器5控制光的传输方向，所述第一1/2波片6控制泵浦光1064nm激光的偏振方向，所述第一法布里-珀罗标准具7控制2636nm闲频光的谱线宽度为0.0001nm，所述2636nm闲频光从第二反射镜9射出，形成第一检测激光；
所述第一检测激光直接传输到样品池22的第一入射口11，在所述样品池22内多次反射后，从所述样品池22的光出射口23射出，经可调会聚透镜24会聚到吸收光谱仪25中，所述光谱仪25把接收的光信号转化为电信号传递给计算机26，利用如下公式对H2S气体浓度进行计算获得H2S气体浓度N1，
Figure GDA0002651368130000021
公式中σ1为待测H2S气体在波长为3980nm激光下的吸收截面，A(λ1)为第一干扰因子，B(L1)为第二干扰因子,I0(λ1)为入射光强，I(λ1)为出射光强，L1为激光在样品池中的光程；
另一束泵浦光经半反半透镜2反射到1064nm全反镜12后，入射至第二谐振腔，所述第二谐振腔包括第五反射镜13、第六反射镜19、第七反射镜14和第八反射镜20，入射光经第五反射镜13传输给第二晶体16；通过调节温度控制器使所述第二晶体16产生1575nm闲频光、3728nm信号光；所述1575nm闲频光、3728nm信号光和1064nm泵浦光在所述第二谐振腔振荡；所述第二谐振腔内还包括第二光隔离器15、第二1/2波片17、第二法布里-珀罗标准具18，所述第二光隔离器15控制光的传输方向，所述第二1/2波片17控制泵浦光1064nm激光的偏振方向，所述第二法布里-珀罗标准具18控制1575nm闲频光的谱线宽度为0.0001nm，所述1575nm闲频光从所述第六反射镜19射出，形成第二检测激光；
所述第二检测激光直接传输到样品池22的第二入射口21，在所述样品池22内多次反射后，从所述样品池22的光出射口23射出，经可调会聚透镜24会聚到吸收光谱仪25中，所述光谱仪25把接收的光信号转化为电信号传递给计算机26，利用如下公式对H2S气体浓度进行计算获得H2S气体浓度N2，
Figure GDA0002651368130000031
公式中σ2为待测H2S气体在波长为1575nm激光下的吸收截面，A(λ2)为第一干扰因子，B(L2)为第二干扰因子,I0(λ2)为入射光强，I(λ2)为出射光强，L2为激光在样品池中的光程；
所述计算机26通过分析计算第一检测激光的测量值N1和第二检测激光的测量值N2，获得精确的气体浓度值N。
进一步的，还包括如下步骤：
调整在不同的吸收峰下，不同波长的测量值I(λ1)、I(λ2)，进而确定第一干扰因子A(λ1)、A(λ2)的值；
结合式(1)(2)及上述第一干扰因子A(λ1)、A(λ2)的值计算得出不同波长下H2S气体浓度N1、N2；
通过加权平均求出精确的H2S气体浓度N。
进一步的，加权平均系数为0.5,即N＝0.5N1+0.5N2。
进一步的，通过增加检测光在测量气体中的光程L1或L2，使得测量结果更加准确。
进一步的，通过计算机控制温度控制器，使控制温度精确在0.01℃，从而保证检测激光的波长的稳定性，进而保证测量浓度的准确性。
本发明的有益效果：本发明通过采用双波长进行测量，相互作为参考标准进行脉宽校对，获得了准确的脉宽对准检测，并通过多次测量，能够消除相应的干扰因子，并通过温控器精确控制检测激光波长获得精确的测量结果，满足了高精度下硫化氢气体的检测。相较于单一波长的测量，该方法更加准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述的硫化氢气体检测装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
如图1所示，本发明为了解决现有硫化氢气体浓度测量不精确的技术问题。提出了一种双波长窄脉宽精确测量硫化氢气体浓度的方法，包括如下步骤：
谱线宽度为0.1nm的光纤激光器1输出1064nm线偏振激光，经1064nm半反半透镜2分成两束泵浦光；
一束泵浦光入射至第一谐振腔，所述第一谐振腔包括第一反射镜4、第二反射镜9、第三反射镜3和第四反射镜10，入射光经第一反射镜4传输给第一晶体8；通过调节温度控制器使所述第一晶体8产生2636nm闲频光、1784nm信号光；所述2636nm闲频光、1784nm信号光和1064nm泵浦光在所述第一谐振腔振荡；所述第一谐振腔内还包括第一光隔离器5、第一1/2波片6、第一法布里-珀罗标准具7，所述第一光隔离器5控制光的传输方向，所述第一1/2波片6控制泵浦光1064nm激光的偏振方向，所述第一法布里-珀罗标准具7控制2636nm闲频光的谱线宽度为0.0001nm，所述2636nm闲频光从第二反射镜9射出，形成第一检测激光；
所述第一检测激光直接传输到样品池22的第一入射口11，在所述样品池22内多次反射后，从所述样品池22的光出射口23射出，经可调会聚透镜24会聚到吸收光谱仪25中，所述光谱仪25把接收的光信号转化为电信号传递给计算机26，利用如下公式对H2S气体浓度进行计算获得H2S气体浓度N1，
Figure GDA0002651368130000051
公式中σ1为待测H2S气体在波长为3980nm激光下的吸收截面，A(λ1)为第一干扰因子，B(L1)为第二干扰因子,I0(λ1)为入射光强，I(λ1)为出射光强，L1为激光在样品池中的光程；
另一束泵浦光经半反半透镜2反射到1064nm全反镜12后，入射至第二谐振腔，所述第二谐振腔包括第五反射镜13、第六反射镜19、第七反射镜14和第八反射镜20，入射光经第五反射镜13传输给第二晶体16；通过调节温度控制器使所述第二晶体16产生1575nm闲频光、3728nm信号光；所述1575nm闲频光、3728nm信号光和1064nm泵浦光在所述第二谐振腔振荡；所述第二谐振腔内还包括第二光隔离器15、第二1/2波片17、第二法布里-珀罗标准具18，所述第二光隔离器15控制光的传输方向，所述第二1/2波片17控制泵浦光1064nm激光的偏振方向，所述第二法布里-珀罗标准具18控制1575nm闲频光的谱线宽度为0.0001nm，所述1575nm闲频光从所述第六反射镜19射出，形成第二检测激光；
所述第二检测激光直接传输到样品池22的第二入射口21，在所述样品池22内多次反射后，从所述样品池22的光出射口23射出，经可调会聚透镜24会聚到吸收光谱仪25中，所述光谱仪25把接收的光信号转化为电信号传递给计算机26，利用如下公式对H2S气体浓度进行计算获得H2S气体浓度N2，
Figure GDA0002651368130000061
公式中σ2为待测H2S气体在波长为1575nm激光下的吸收截面，A(λ2)为第一干扰因子，B(L2)为第二干扰因子,I0(λ2)为入射光强，I(λ2)为出射光强，L2为激光在样品池中的光程；
所述计算机26通过分析计算第一检测激光的测量值N1和第二检测激光的测量值N2，获得精确的气体浓度值N。
所述激光经谐振器高反镜4的45度面镀有1064nm高透、2000-4300nm高反膜，第一、第二晶体为非线性MgO:PPLN晶体。
上述第一检测光、第二检测光脉宽均为0.001nm，从而使得更加匹配硫化氢气体的吸收峰，吸收准确，减少其他吸收气体的干扰，保证了测量的准确性。通过精确控制第一、第二法布里-珀罗标准具的角度与厚度精度，使其满足脉宽的压缩，通常入射角度控制为45度，厚度为3-4mm。
另外，还包括如下步骤：
通过调整光谱仪，使其在不同的吸收峰下，获得不同波长的测量值I(λ1)、I(λ2)，进而通过多次迭代获得第一干扰因子A(λ1)、A(λ2)的值，计算精度为0.001。
再结合式(1)(2)及上述第一干扰因子A(λ1)、A(λ2)的值计算得出不同波长下H2S气体浓度N1、N2；
通过加权平均求出精确的H2S气体浓度N。加权平均系数为0.405-0.595之间，如N＝0.41N1+0.59N2，N＝0.5N1+0.5N2。
进一步的方法中，通过增加检测光在测量气体中的光程L1或L2，使得测量结果更加准确，通常可以设定L1或L2的长度为0.5-5米。
另外，通过计算机控制温度控制器，使控制温度精确在0.01℃，从而保证检测激光的波长的稳定性，进而保证测量浓度的准确性。
谱线宽度为0.1pm的3980.0nm和1575.0nm两个波长的测试激光同时测试H2S气体，一个波长的激光作为测试光源，另一个波长的激光作为参考光源，不但可以有效辨别多种气体中有效辨别出H2S气体，而且还能提高测试气体的精度到0.1ppb。
在计算机软件上显示测试后两个H2S气体的吸收强度值，比对H2S气体标准强度值，以光谱仪为测试手段的定标值，就可以得出H2S气体的浓度。
本发明的有益效果：本发明通过采用双波长进行测量，相互作为参考标准进行脉宽校对，获得了准确的脉宽对准检测，并通过多次测量，能够消除相应的干扰因子，并通过温控器精确控制检测激光波长获得精确的测量结果，满足了高精度下硫化氢气体的检测。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种双波长窄脉宽精确测量硫化氢气体浓度的方法，其特征在于包括如下步骤：
谱线宽度为0.1nm的光纤激光器(1)输出1064nm线偏振激光，经1064nm半反半透镜(2)分成两束泵浦光；
一束泵浦光入射至第一谐振腔，所述第一谐振腔包括第一反射镜(4)、第二反射镜(9)、第三反射镜(3)和第四反射镜(10)，入射光经第一反射镜(4)传输给第一晶体(8)；通过调节温度控制器使所述第一晶体(8)产生2636nm闲频光、1784nm信号光；所述2636nm闲频光、1784nm信号光和1064nm泵浦光在所述第一谐振腔振荡；所述第一谐振腔内还包括第一光隔离器(5)、第一1/2波片(6)、第一法布里-珀罗标准具(7)，所述第一光隔离器(5)控制光的传输方向，所述第一1/2波片(6)控制泵浦光1064nm激光的偏振方向，所述第一法布里-珀罗标准具(7)控制2636nm闲频光的谱线宽度为0.0001nm，所述2636nm闲频光从第二反射镜(9)射出，形成第一检测激光；
所述第一检测激光直接传输到样品池(22)的第一入射口(11)，在所述样品池(22)内多次反射后，从所述样品池(22)的光出射口(23)射出，经可调会聚透镜(24)会聚到吸收光谱仪(25)中，所述光谱仪(25)把接收的光信号转化为电信号传递给计算机(26)，利用如下公式对H2S气体浓度进行计算获得H2S气体浓度N1，
Figure FDA0002651368120000011
公式中σ1为待测H2S气体在波长为2636nm激光下的吸收截面，A(λ1)为第一干扰因子，B(L1)为第二干扰因子,I0(λ1)为入射光强，I(λ1)为出射光强，L1为激光在样品池中的光程；
另一束泵浦光经半反半透镜(2)反射到1064nm全反镜(12)后，入射至第二谐振腔，所述第二谐振腔包括第五反射镜(13)、第六反射镜(19)、第七反射镜(14)和第八反射镜(20)，入射光经第五反射镜(13)传输给第二晶体(16)；通过调节温度控制器使所述第二晶体(16)产生1575nm闲频光、3728nm信号光；所述1575nm闲频光、3728nm信号光和1064nm泵浦光在所述第二谐振腔振荡；所述第二谐振腔内还包括第二光隔离器(15)、第二1/2波片(17)、第二法布里-珀罗标准具(18)，所述第二光隔离器(15)控制光的传输方向，所述第二1/2波片(17)控制泵浦光1064nm激光的偏振方向，所述第二法布里-珀罗标准具(18)控制1575nm闲频光的谱线宽度为0.0001nm，所述1575nm闲频光从所述第六反射镜(19)射出，形成第二检测激光；
所述第二检测激光直接传输到样品池(22)的第二入射口(21)，在所述样品池(22)内多次反射后，从所述样品池(22)的光出射口(23)射出，经可调会聚透镜(24)会聚到吸收光谱仪(25)中，所述光谱仪(25)把接收的光信号转化为电信号传递给计算机(26)，利用如下公式对H2S气体浓度进行计算获得H2S气体浓度N2，
Figure FDA0002651368120000021
公式中σ2为待测H2S气体在波长为1575nm激光下的吸收截面，A(λ2)为第一干扰因子，B(L2)为第二干扰因子,I0(λ2)为入射光强，I(λ2)为出射光强，L2为激光在样品池中的光程；
所述计算机(26)通过分析计算第一检测激光的测量值N1和第二检测激光的测量值N2，获得精确的气体浓度值N；
还包括如下步骤：
调整在不同的吸收峰下，不同波长的测量值I(λ1)、I(λ2)，进而确定第一干扰因子A(λ1)、A(λ2)的值；
结合式(1)(2)及上述第一干扰因子A(λ1)、A(λ2)的值计算得出不同波长下H2S气体浓度N1、N2；
通过加权平均求出精确的H2S气体浓度N。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，加权平均系数为0.5,即N＝0.5N1+0.5N2。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过增加检测光在测量气体中的光程L1或L2，使得测量结果更加准确。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过计算机控制温度控制器，使温度精确控制在0.01℃，从而保证检测激光的波长的稳定性，进而保证测量浓度的准确性。
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