CN108872100A - 一种多次增强光谱高精度氨气检测装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多次增强光谱高精度氨气检测装置及检测方法，涉及检测技术领域。平面反射镜和平凹反射镜组成吸收腔，激光依次穿过增强反射镜和平面反射镜进入吸收腔，在吸收腔内反射并与待测氨气作用射出，经聚焦透镜被光电探测器接收转为电信号，由锁相放大模块传入数据处理模块。建立反演模型，对装置标定，向吸收腔内通入待测氨气，输出实时光电信号和二次谐波信号，计算得到待测氨气浓度。本发明解决了现有技术中氨气检测无法实现高精度测量的技术问题。本发明有益效果为：开放式吸收腔、腔前设开孔平面反射镜，提高响应速度，增加入射到腔内激光光强，提高了检测精度、降低了成本。操作方便，良好的使用性和鲁棒性增强了系统稳定性。

Description

一种多次增强光谱高精度氨气检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及检测技术领域，尤其是涉及一种氨气检测装置及检测方法。
背景技术
氨气(NH3)是一种无色、有强烈刺激性气味的氮氢化合物，在医药、化肥、国防、工业方面均有广泛用途。随着科学技术发展及工业化进程的推进，氨气的排放源越来越多，排放量也越来越大，对环境质量的影响日渐受到各国政府的关注。大气中的氨气浓度有规定，氨气浓度超标会严重威胁人体生命健康。用国家标准方法可以对微量氨气进行精确测量。但该方法需要采集、预处理等中间过程，耗时长、人为因素多，不利于实时在线测量。目前，在线氨气检测仪器包括电化学传感器、半导体传感器和光学检测仪，前两者体积小、易于集成，已经广泛应用，但测量精度普遍不高。光学检测仪是利用氨气对光谱的吸收作用来实现浓度测量，具有选择性高、检测限低、响应速度快、检测精度高特点。中国专利申请公布号CN104568834A，申请公布日2015年4月29日，名称为“基于TDLAS的氨气检测实验系统”的发明专利申请，是其中的一种。光源模块，用于提供可调谐二极管激光吸收光谱很好的光源；激光驱动器，用于控制和检测激光器的工作状态，并通过设定边界参数为激光器提供过载保护；探测器，用于探测经气体吸收后的出射光，将光信号转换成电信号；信号检测模块，用于探测二次谐波信号，洛伦兹和高斯线型下的二次谐波信号的仿真结果；前置放大器，用于将经过探测器探测到的电信号，经过电流放大，并将放大后的电流信号转换成电压信号后输出给锁相放大器进行谐波检测；锁相放大器，用于检测与参考信号同频或倍频的特定频率的有用信号，抑制其他无用信号和噪声；数据采集卡及控制系统，用于该系统的数据采集及控制，有三种波形显示模式，包括谐波信号及锯齿波信号的实时显示、单周期的谐波信号显示、所测量的浓度变化曲线显示；向气体吸收池中通入一定浓度的氨气作为待测气，由信号发生器产生调制信号，这里由两路信号组成，一路是用于改变激光器输出激光波长的锯齿波扫描信号，一路是用于调制驱动信号的高频正弦调制信号；两路信号通过叠加得到调制信号，输入到激光驱动器，通过控制激光驱动器的电流和温度，使得所选氨气吸收峰在扫描的中心波长处。发出的激光经气体吸收池被吸收，出射的光信号由探测器探测并转化为电信号，再由前置放大器放大，最后由锁相放大器进行谐波检测；此外，由信号发生器产生的高频正弦调制信号，同时作为参考信号输入到锁相放大器，通过相敏检波检测出二次谐波信号，由数据采集卡采集，并由计算机进行计算处理。该技术方案存在如下问题：泵向气体吸收池中通入一定浓度的氨气作为待测气，降低了测量响应速度，腔吸附效应也大大影响了测量准确性。采用单次传输或单次反射传输方式，吸收长度有限，无法实现高精度测量，无法应用于安全等级高的环境领域。由信号发生器产生的高频正弦调制信号，同时作为参考信号输入到锁相放大器，通过相敏检波检测出二次谐波信号，由数据采集卡采集，并由计算机进行计算处理，仅仅只是将二次谐波检测出来，利用二次谐波去推导浓度值，很容易受到激光光强的变化而变化。
发明内容
为了解决现有技术中氨气检测无法实现高精度测量的技术问题，本发明提供一种多次增强光谱高精度氨气检测装置及检测方法，达到提高响应速度、扩大氨吸收长程，确保检测结果可靠的目的。
本发明的技术方案是：一种多次增强光谱高精度氨气检测装置，包括：激光发射器、增强反射镜、吸收腔、聚焦透镜、光电探测器、锁相放大模块和数据处理模块，吸收腔由一对镜面相对的平面反射镜和平凹反射镜组成，激光发射器输出激光依次穿过增强反射镜和平面反射镜进入吸收腔，在吸收腔内多次反射与待测氨气作用后射出，经过聚焦透镜聚光后被光电探测器接收转换为电信号，电信号经锁相放大模块传入数据处理模块。激光可以同方向同角度地入射到吸收腔内，确保增强的激光有效。吸收腔采用开放式光学稳定腔，激光可在腔内连续不断反射，氨吸收长程可扩大原来的500以上，极大地提高了检测精度。开放式的吸收腔，消除了传统封闭式带来的腔吸附效应，提高了测量精度和响应速度。
作为优选，增强反射镜镜面朝向吸收腔，中心设有进光孔，表面设有镀金反射膜；激光多次进入吸收腔。
作为优选，平面反射镜为低损耗高反射率双面平面反射镜，平凹反射镜为低损耗高反射率镜，正面是凹面，反面是平面；尽可能地扩大氨吸收长程，激光更多携带有氨气浓度信息，确保检测灵敏度。
作为优选，平面反射镜和平凹反射镜的镜面连接有气帘，气帘为圆管状，平面反射镜和平凹反射镜分别嵌入气帘；在镜片表面形成致密性气流层，保护镜片清洁，防止污染，延长吸收腔使用寿命。
作为优选，增强反射镜直径为Φ1，平面反射镜直径为Φ2，增强反射镜到平面反射镜的距离为l，Φ1/Φ2≤0.2，l≤0.5Φ2；反射来自吸收腔的光束，以增强输出光强，提高检测精度，降低成本。
作为优选，平面反射镜到平凹反射镜的距离为L，凹反射镜的曲率半径为R，L≤R；确保构成的吸收腔稳定。
作为优选，气帘上部设有进气道，进气道连接有若干个出气孔，气帘下部设有排气道，排气道连接有集气槽，出气孔、集气槽贴近镜面。
一种多次增强光谱高精度氨气检测方法，步骤1：建立反演模型f(V2f，VD，CNH3)，满足反演公式：步骤2：对检测装置标定，向吸收腔内分别通入不同浓度的标准氨气，同时实测实时光电信号VD、实时二次谐波信号V2f值，取均值对反演公式进行拟合，获得反演公式中的系数k和b；步骤3：激光器输出激光射入增强反射镜的进光孔，在增强反射镜和平面反射镜之间形成多次反射，并多次微斜射入至吸收腔内，向吸收腔内通入待测氨气，激光在吸收腔内多次反射，吸收待测氨气后射出，通过聚焦透镜会聚，被光电探测器探测转换成电压信号，锁相放大模块接收后输出VD和V2f；步骤4：利用步骤3得到的VD和V2f，数据处理模块9通过反演公式计算得到待测氨气浓度。
作为优选，步骤2中，向吸收腔内依次通入三种不同浓度值的标准氨气，对检测装置标定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：吸收腔采用开放式光学稳定腔，激光可在腔内不断反射，吸收长程扩大，极大地提高了检测精度。吸收腔前面设置开孔平面反射镜，既提高了响应速度，又增加入射到腔内的激光光强，降低了对探测器性能的要求，也提高了信噪比，提高了检测精度、降低了成本。气帘保护镜片清洁，延长使用寿命。使用自修正功能的浓度反演公式，结合V2f和VD平均值，提高了浓度检测的准确性。不需要对吸收腔进行精密调整，操作方便，良好的使用性和鲁棒性增强了系统稳定性。
附图说明
附图1为本发明连接示意图；
附图2为图1中A-A剖视图；
附图3为图2中B-B剖视图。
图中：1-激光发射器；2-光纤准直镜；3-增强反射镜；4-吸收腔；5-聚焦透镜；6-光电探测器；7-前置放大模块；8-锁相放大模块；9-数据处理模块；11-激光驱动模块；41-平面反射镜；42-气帘；43-气泵；44-过滤器；45-平凹反射镜；46-气体处理模块；421-进气道；422-排气道；4211-进气口；4212-出气孔；4221-排气口；4222-集气槽。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1：
如图1、2和3所示，一种多次增强光谱高精度氨气检测装置，它包括：激光发射器1、光纤准直镜2、增强反射镜3、吸收腔4、聚焦透镜5、光电探测器6、前置放大模块7、锁相放大模块8和数据处理模块9。如图1中，细实线表示电连接；箭头细实线表示光线；箭头虚线表示反射光；空心箭头表示空气流向。激光发射器1为1527nm蝶形DFB激光器，线宽≤2MHz，功率为8mW。激光发射器1连接有激光驱动模块11。激光驱动模块11含电流驱动和温度控制两个模块。激光驱动模块11也可以采用ITC4001激光控制器来替代。增强反射镜3为镀金平面反射镜。增强反射镜3中心设有进光孔，进光孔直径为1mm。增强反射镜3表面镀金，为反射膜。聚焦透镜5为普通平凹聚焦透镜，焦距为10mm。光电探测器6为InGaAs探测器。前置放大模块7为SR650。锁相放大模块8为SR830。吸收腔4由一对镜面相对的平面反射镜41和平凹反射镜45组成稳定的光学谐振腔，输入激光在腔内连续不断反射。平面反射镜41为低损耗高反射率双面平面反射镜。平凹反射镜45为低损耗高反射率镜，正面是凹面，反面是平面。平面反射镜41两面都是镜面，一面与增强反射镜3镜面相对，另一面与平凹反射镜45的凹面镜面相对。增强反射镜3直径为Φ1，平面反射镜41直径为Φ2。平凹反射镜直径与平面反射镜直径相等。平凹反射镜45的曲率半径为R。增强反射镜3到平面反射镜41的距离为l，平面反射镜41到平凹反射镜45的距离为L。为了确保通过增强反射镜3的激光尽量多地能进入吸收腔4、进入吸收腔4的激光尽量扩大氨吸收长程，需要满足Φ1/Φ2≤0.2，l≤0.5Φ2，L≤R。本实施例：Φ1＝5mm、Φ2＝25.4mm，R＝1000m，l＝10mm、L＝300mm。平面反射镜41和平凹反射镜45的镜面连接有气帘42。气帘42为圆管状。圆管内径分别与平面反射镜41和平凹反射镜45的直径相等。平面反射镜41、平凹反射镜45分别嵌入气帘42中。气帘42上部设有进气道421、下部设有排气道422。进气道421与排气道422不连通。进气道421连接有若干个出气孔4212，图2示出的出气孔4212个数只是示意，实际使用，以气流盖住整个镜面为佳。出气孔4212贴近镜面均布气帘42上部内表面。排气道422连接有集气槽4222。集气槽4222贴近镜面沿镜面下部设置。进气道421靠近气帘42顶部的侧面设有进气口4211。进气口4211连接有气泵43。气泵43通过设置的滤器44与大气连通。排气道422靠近气帘42底部的侧面设有排气口4221。排气口4221连接有气体处理模块46。
开启气泵43，气流从进气口4211进入进气道421，由于气泵43的作用，在进气道421中的气流通过出气孔4212喷出，在镜片表面形成致密气流层。气流层薄而密，对待测氨气的影响非常小，可以忽略。气流层由集气槽4222收集于排气道422内，由于压力的作用，气流由排气口4221排出。排出气流由气体处理模块46接收并处理。同时，向吸收腔4内通入待测氨气。数据处理模块9控制激光驱动模块11，激光发射器1输出激光经光纤准直镜2准直后，依次穿过增强反射镜3和平面反射镜41进入吸收腔4，在吸收腔4内多次反射与待测氨气作用后射出，经过聚焦透镜5聚光后被光电探测器6接收转换为电信号，电信号经前置放大模块7和锁相放大模块8后，传入数据处理模块9。
一种光谱增强型高精度氨气检测方法：步骤1：建立反演模型f(V2f，VD，CNH3)，反演模型具有自修正功能。反演模型满足反演公式：其中：VD，b：激光发射器1关闭时，锁相放大模块8输出的滤除高频成分的原始光电信号，称“偏置光电信号”；
VD0：激光发射器1打开时，吸收腔4内无待测氨气时，锁相放大模块8输出的滤除高频成分的原始光电信号，称“初始光电信号”；
VD：激光发射器1打开时，吸收腔4内含待测氨气时，锁相放大模块8输出的滤除高频成分的原始光电信号，称“实时光电信号”；
V2f，b：激光发射器1打开时，吸收腔4内无待测氨气时，锁相放大模块8输出的二次谐波信号，称“初始二次谐波信号”；
V2f：激光发射器1打开时，吸收腔4内有待测氨气时，锁相放大模块8输出的二次谐波信号，称“实时二次谐波信号”。
CNH3为氨气的浓度大小，即吸收腔4内的实测氨气的浓度。
步骤2：对检测装置标定：
关闭激光发射器1，数据处理模块9获得锁相放大模块8输出的偏置光电信号VD，b；
打开激光发射器1，吸收腔4内通氮气，数据处理模块9获得锁相放大模块8输出的滤初始光电信号VD0；
打开激光发射器1，吸收腔4内通氮气，数据处理模块9获得锁相放大模块8输出的初始二次谐波信号V2f，b；
打开激光发射器1，吸收腔4内依次通入c1、c2、c3浓度值的标准氨气，数据处理模块9分别测得三种浓度值的标准氨气时锁相放大模块8输出的实时光电信号VD和实时二次谐波信号V2f。将V2f、VD值取均值。数据处理模块9用均值对反演公式进行拟合，获得反演公式中的系数k和b。
步骤3：激光器1输出激光经光纤准直镜2准直后射入增强反射镜3的进光孔。激光在增强反射镜3和平面反射镜41之间形成多次反射，并多次微斜射入至吸收腔4内。向吸收腔4内通入待测氨气。激光在吸收腔4内经过很多次来回反射，吸收氨气后射出平凹反射镜45。激光由聚焦透镜5会聚后，被光电探测器6探测转换成电压信号。锁相放大模块8接收电压信号后，输出VD和V2f。
步骤4：利用步骤3得到的VD和V2f，数据处理模块9通过反演公式计算得到待测氨气浓度。

Claims (9)

1.一种多次增强光谱高精度氨气检测装置，包括：激光发射器(1)、增强反射镜(3)、吸收腔(4)、聚焦透镜(5)、光电探测器(6)、锁相放大模块(8)和数据处理模块(9)，其特征在于：所述吸收腔(4)由一对镜面相对的平面反射镜(41)和平凹反射镜(45)组成，所述激光发射器(1)输出激光依次穿过增强反射镜(3)和平面反射镜(41)进入吸收腔(4)，在吸收腔(4)内多次反射与待测氨气作用后射出，经过聚焦透镜(5)聚光后被光电探测器(6)接收转换为电信号，电信号经锁相放大模块(8)传入数据处理模块(9)。
2.根据权利要求1所述的一种多次增强光谱高精度氨气检测装置，其特征在于：所述增强反射镜(3)镜面朝向吸收腔(4)，中心设有进光孔，表面设有镀金反射膜。
3.根据权利要求1所述的一种多次增强光谱高精度氨气检测装置，其特征在于：所述平面反射镜(41)为低损耗高反射率双面平面反射镜，平凹反射镜(45)为低损耗高反射率镜，正面是凹面，反面是平面。
4.根据权利要求1或3所述的一种多次增强光谱高精度氨气检测装置，其特征在于：平面反射镜(41)和平凹反射镜(45)的镜面连接有气帘(42)，气帘(42)为圆管状，平面反射镜(41)和平凹反射镜(45)分别嵌入气帘(42)。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种多次增强光谱高精度氨气检测装置，其特征在于：增强反射镜(3)直径为Φ1，平面反射镜(41)直径为Φ2，增强反射镜(3)到平面反射镜(41)的距离为l，Φ1/Φ2≤0.2，l≤0.5Φ2。
6.根据权利要求1或3所述的一种多次增强光谱高精度氨气检测装置，其特征在于：平面反射镜(41)到平凹反射镜(45)的距离为L，凹反射镜(45)的曲率半径为R，L≤R。
7.根据权利要求4所述的一种多次增强光谱高精度氨气检测装置，其特征在于：所述气帘(42)上部设有进气道(421)，进气道(421)连接有若干个出气孔(4212)，气帘(42)下部设有排气道(422)，排气道(422)连接有集气槽(4222)，出气孔(4212)、集气槽(4222)贴近镜面。
8.根据权利要求1所述的一种多次增强光谱高精度氨气检测方法，其特征在于：步骤1：建立反演模型满足反演公式：步骤2：对检测装置标定，向吸收腔(4)内分别通入不同浓度的标准氨气，同时实测实时光电信号VD、实时二次谐波信号V2f值，取均值对反演公式进行拟合，获得反演公式中的系数k和b；步骤3：激光器(1)输出激光射入增强反射镜(3)的进光孔，在增强反射镜(3)和平面反射镜(41)之间形成多次反射，并多次微斜射入至吸收腔(4)内，向吸收腔(4)内通入待测氨气，激光在吸收腔(4)内多次反射，吸收待测氨气后射出，通过聚焦透镜(5)会聚，被光电探测器(6)探测转换成电压信号，锁相放大模块(8)接收后输出VD和V2f；步骤4：利用步骤3得到的VD和V2f，数据处理模块9通过反演公式计算得到待测氨气浓度。
9.根据权利要求8所述的一种多次增强光谱高精度氨气检测方法，其特征在于：步骤2中，向吸收腔(4)内依次通入三种不同浓度值的标准氨气，对检测装置标定。
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