CN108872125A - 一种基于中外红量子级联激光器长光程差吸收光谱法的痕量so2气体检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于中外红量子级联激光器长光程差吸收光谱法的痕量SO2气体检测装置。以中心波长为的量子级联激光器作为光源，红外光经过全反射镀金球面镜聚焦到长光程气体发射池中，从反射池出射的红外光通过液氮冷却碲镉汞中红外探测器将光信号转换为电信号，转换后的电信号由数据采集单元记录并输入计算机处理及存储。采用长光程差分吸收光谱技术测量SO2浓度，通过多次反射池增加光程，实现对痕量SO2的高灵敏检测。系统结构简单、紧凑。装置具有测量灵敏度高，精度高，响应速度快的特点，可弥补现有检测方法与技术上的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及低浓度气体检测技术领域,涉及一种痕量SO2气体检测装置。
背景技术
痕量气体是指大气中浓度低于10-6的气体，如CO,NO,NO2,SO2,H2S、卤化物和有机化合物等。这些痕量粒种受到物理、化学等多方作用并参与地球化学循环，对全球大气环境及生态产生重大影响，例如化学烟雾、酸雨、温室效应和臭氧层遭破坏等均与前述痕量气体有关。
二氧化硫是一种无色、具有强烈刺激性气味的气体,长期吸入大气中的二氧化硫会引起慢性支气管炎、慢性鼻咽炎等损害上呼吸道的炎症并使青少年的免疫力降低，抗病能力变弱。我国环境质量标准规定，居住区大气中的SO2日平均浓度应低于0.15mg/m3，年平均浓度低于0.06mg/m3。因此,建立灵敏、准确的二氧化硫浓度检测方法及装置具有重要意义。
量子级联激光器是近年来发展起来的理想的中红外光源，具有宽的调谐范围，单色性好、量子效率高、输出功率大等优点，并且能够在室温下工作，温度稳定性好。由于量子级联激光器在中红外区有大范围的输出波长(4.3～24μm)，覆盖了大量气体分子振转能级的基频吸收，可以检测大气中浓度较低的痕量气体。将中心波长为7.43μm的量子级联激光器光源与长光程差分吸收光谱技术相结合，通过多次反射池增加光程，实现对痕量SO2的高灵敏检测。基于该方法的装置具有测量灵敏度高，精度高，响应速度快的特点，可弥补现有检测方法与技术上的缺陷。
发明内容
本发明提供一种基于中外红量子级联激光器长光程差吸收光谱法的痕量SO2检测装置及方法，以中心波长为7.43μm的量子级联激光器作为光源，采用长光程差分吸收光谱技术，系统结构简单、紧凑。红外光经过全反射镀金球面镜聚焦到长光程气体发射池中，从反射池出射的红外光通过液氮冷却碲镉汞中红外探测器进行探测。碲镉汞中红外探测器的探测峰值波长为5μm、光谱响应范围为(2～12μm)、响应时间小于100ns、探测面的尺寸为1mm2。
技术方案如下：
一种基于中外红量子级联激光器长光程差吸收光谱法的痕量SO2气体检测装置，光路部分主要包括中心波长为7.43μm的量子级联激光器、全反射镀金球面镜、反射池和镉汞中红外探测器；在量子级联激光器的光路上设有对红外光全透、对可见光全反合束片；在反射池的入光口和出光口处均设有全反射镀金球面镜，反射池的入光口处的全反射镀金球面镜入射面朝向反射池的入光口，将红外光聚焦到长光程气体反射池中；反射池出光口处的全反射镀金球面镜入射面朝向反射池的出光口，在出光口反射镜的反射光路上安置碲镉汞探测器；探测器将接收到的光信号转化为电信号输入计算机；反射池部分为一个SO2收集装置。主要包括进气口和隔断结构，隔断结构将通过进气口进入反射池的SO2气体中飞溅液体和蒸汽过滤掉；量子级联激光器和碲镉汞探测器分别通过控制单元和高速数据采集单元接入计算机。
附图说明
图1为本发明的工作流程图。
图2为本发明的整体构造图。
图3为本发明SO2气体反射池示意图。
具体实施方式
其中,1为量子级联激光器量子级联激光器；2为可见光激光器；3,5为全反射镀金球面镜；4为镀膜合束片；9为气体输入口；10为反射池；11,12分别为第一腔室和第二腔室；13为对起气体过滤作用的隔断结构；14,15为可调节球面镜；16,17分别为光入射口和反射口；18为CaF2聚焦透镜；19为碲镉汞光电探测器将,光信号转换成电信号；20为数据采集单元,将采集数据输入计算机21；21计算机,对输入数据进行处理,并显示最终气体浓度。以下是具体过程：
反射池10对SO2气体进行收集，SO2气体通过9进入反射池隔断结构13将反射池10分为第一腔室11与第二腔室12。
SO2气体进入第一腔室11通过隔断结构13进行过滤,隔断结构13上含有多个过滤孔,过滤孔负责将空气杂质、蒸汽以及飞溅的液体过滤。
光路部分，中心波长为7.43μm的量子级联激光器量子级联激光器1发出中红外激光，且由于中红外激光为不可见光，因此用激光器2发出可见光束a进行指引，使红外光通过全反射镀金球面镜3准确射入反射池10内。为调整可见光a与红外光重合，让两光束光斑中心同时毫无遮挡地通过两个相隔一定距离的小孔光阑，在末端用探测器接收聚焦后的光强信号，当探测器的信号幅值最强时，两光束重合效果最好。
将重合以后的中红外激光和可见光通过对红外全透，可见全反的镀膜合束片4，光束通过反射镜3反射进入反射池10内，经多次反射后由反射镜5出射，调节反射池10的旋钮14和15可调节两球面镜之间的夹角，从而改变反射次数。出射后的光束进入信号处理模块，经由CaF2聚焦透镜18聚焦到热电制冷的碲镉汞光电探测器19上。探测器19将光信号转换成电信号，转换后的电信号由数据采集单元20记录并输入计算机21处理及存储。
将所得吸收光谱与特征谱线对比，确定所测气体是否含有SO2气体成份。信号处理模块痕量SO2浓度检测步骤如下：
根据比尔-朗伯定律，光强为的光束经过瑞利散射以及米氏散射、通过光程为L的反射池后的光强为
I(λ)＝I0(λ)exp(φ(σi,ci,L,εr,εm))
其中的多元函数φ(σi,c,L,εr,εm)表示为
其中λ为光源波长(nm)；σi(λ)为第i种气体的吸收截面(cm2)；ci为第i种气体的平均浓度(mol·cm-3)；L为光程(cm)；σi(λ)为Rayleigh散射，消光系数λ-4；σm(λ)为Mie散射，消光系数(λα,α＝2～4)。Rayleigh散射与Mie散射截面在吸收光谱中表现为宽带结构的吸收截面，LP-DOAS方法将吸收光谱中的气体吸收截面σi(λ)分解为宽带吸收与窄带吸收截面，即
其中表示第i种的宽带吸收截面，σi′(λ)表示第i种的窄带吸收截面。于是，上述第二式可以被拆分成如下形式
通过数值滤波处理可以去除只包含宽带截面吸收的项，从而得到待测气体的差分光学密度：
通过将差分光学密度与参考谱进行最小二乘法拟合即可得到反射池中SO2气体的浓度。
Claims (5)
1.基于中外红量子级联激光器长光程差吸收光谱法的痕量SO2气体检测装置，其特征在于：能实现对痕量SO2气体浓度的高灵敏检测,系统结构简单、紧凑，具有测量灵敏度高，精度高，响应速度快的特点。
2.基于中外红量子级联激光器长光程差吸收光谱法的痕量SO2气体检测装置，其特征在于：由中心波长为的量子级联激光器量子级联激光器、全反射镀金球面镜、具有过滤功能的SO2反射池、合束片、反射镜和镉汞中红外探测器组成。
3.根据权利要求2所述的基于中外红量子级联激光器长光程差吸收光谱法的痕量SO2气体检测装置，其特征在于：SO2反射池具有过滤功能，吸收待测气体时将空气杂质、蒸汽以及飞溅的液体进行过滤。
4.根据权利要求2所述的基于中外红量子级联激光器长光程差吸收光谱法的痕量SO2气体检测装置，其特征在于：采用中心波长为的量子级联激光器量子级联激光器作为光源。
5.基于中外红量子级联激光器长光程差吸收光谱法的痕量SO2气体检测装置，其特征在于：采用长光程差吸收光谱法算法，通过将差分光学密度与参考谱进行最小二乘法拟合即可得到反射池中SO2气体的浓度。
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