CN109490216B - 一种免校准的激光光声光谱微量气体检测仪器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种免校准的激光光声光谱微量气体检测仪器及方法，属于微量气体检测技术领域。该激光光声光谱微量气体检测仪器包括激光光源、光学准直器、光声池、光热转换元件、传声器、进气阀、出气阀、光源驱动、信号采集与处理电路和工控机。在传统气体吸收光声池中增加一个光热转换元件，产生的固体光声信号作为参考信号，并利用波长调制技术和2f/1f检测方法测量气体浓度，实现对在激光光源功率变化下的免校准气体浓度测量。本发明充分利用光声光谱的小采气量和可调谐二极管激光吸收光谱的免校准测量的优势，大幅度提高了激光光声光谱系统的对气体浓度测量的可靠性。本发明为高灵敏度和高可靠性微量气体检测提供一种极具竞争力的技术方案。
Description
技术领域
本发明属于微量气体检测技术领域，涉及一种免校准的激光光声光谱微量气体检测仪器及方法。
背景技术
激光吸收光谱微量气体检测技术以其具备的高灵敏度、高选择性和工作寿命长等优点，已在电力装置故障特征气体分析、工业生产排放监测、煤矿易燃易爆气体监测和医学呼吸气体诊断等应用中发挥了重要作用。
由于红外光谱区域是部分气体分子的特征吸收光谱带，所以可以通过使用相应的激光光源来测量待测气体的浓度。可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)和激光光声光谱即是利用该原理进行气体检测的最常见方法，但这两种方法之间最大的差别在于TDLAS探测的是通过气体的透射光，而光声光谱探测的是气体的吸收光。这也就决定了TDLAS是有背景的吸收光谱技术，而光声光谱是无背景的吸收光谱技术。通常采用波长调制光谱(WMS)技术和二次谐波(2f)检测技术来提高检测灵敏度。但是，对于激光吸收光谱微量气体检测仪器，有很多情况会使光源的功率发生变化，比如光纤或激光器的老化、光纤连接过程的损耗等，而2f信号幅度还与光源功率成正比，使浓度测量产生较大的误差，降低了仪器的可靠性。为了减小误差，其中一种常用的方法是定期对仪器进行校准，但这大幅度增加了维护工作量。
为了实现免校准测量，在TDLAS微量气体检测系统中，利用吸收光谱中心的基波(1f)分量检测背景光信号，同时利用2f分量检测气体的吸收信号，1f信号与2f信号的幅度与光源光功率的强度均成线性关系，但1f信号幅度与气体浓度几乎无关，而2f信号幅度与气体浓度成正比，因此可以将2f测量的气体吸收信号与1f检测的背景光信号相除得到2f/1f信号，消除激光功率变化对气体浓度测量的影响。但是对于TDLAS系统，气体检测灵敏度与吸收程成正比，为了提高检测灵敏度，通常采用多程气体吸收池增加吸收程，但多程吸收池的体积通常大于1升，并且这种精密的光学结构降低了系统的稳定性和可靠性。
基于单程吸收光声池的激光光声光谱系统的检测灵敏度则与吸收程长度几乎无关，体积可以做到毫升量级，气体检测灵敏度却能达到ppm甚至ppb量级。但是传统的光声光谱的是一种无背景检测方法，吸收光谱中心的1f分量的幅度几乎为零，因此不能采用2f/1f方法实现免校准测量。因而，设计一种对激光光源功率变化免校准的光声光谱检测仪器具有重要的工程应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提出一种免校准的激光光声光谱微量气体检测仪器及方法，旨在解决目前激光光声光谱微量气体检测仪器中存在的激光光源功率的变化引起气体浓度测量误差增大的问题，为激光光声光谱技术在微量气体检测领域的应用中拓展更大的空间。
本发明的原理如下：在气体吸收光声池中增加一个光热转换元件，调制激光通过待测气体后，产生气体光声信号，剩余光能量被光热转换元件吸收后转换为热量，并使密闭光声池中的气体发生周期性的热胀冷缩，进而产生固体光声信号。
根据朗伯-比尔吸收定律，在α(v)LC＜＜1的条件下，可以得到经气体吸收后的光强为：
Ig(v)＝I0(v)(1-exp(-α(v)LC))≈I0(v)α(v)LC (1)
式中，I0(v)是入射光强度，α(v)是吸收系数，L吸收程长度，C是气体的浓度。
如果透射气体后的光完全被光热转换元件吸收，则其光吸收系数μ(v)为：
μ(v)＝1-α(v)LC≈1 (2)
传声器可以同时检测到气体光声信号和固体光声信号，使用波长调制光谱技术可以得到其光声信号为：
式中，Acell为光声池常数，m为入射光强的调制幅度，η为光热转换元件的光声转换效率，ε为气体的光声转换效率，H0和Hn是对气体的吸收系数进行傅里叶展开产生的谐波系数。
经锁相处理后，得到1f信号与2f信号分别为：
在气体吸收光谱的中心处，1f信号与2f信号可以近似简化为：
S1f＝ηmAcellI0 (6)
S2f＝εAcellI0H2LC (7)
气体吸收光谱的中心处的1f信号是光热转换元件吸收强度变化的激光后产生的固体光声信号，当气体浓度较小时，其幅度只与激光功率有关；2f信号用于检测气体的光声信号，其幅度与激光功率和气体浓度均成线性关系。
2f信号除以1f信号得到2f/1f信号，可以表示为：
根据式(8)，测量的气体浓度可以表示为：
可以看到式(9)与功率无关，因此在气体浓度较低的情况下，可以通过测量2f/1f信号的大小反演出待测微量气体的浓度，最终实现在激光光源功率变化下的免校准气体浓度测量。
本发明的技术方案：
一种免校准的激光光声光谱微量气体检测仪器，包括激光光源1、光学准直器2、光声池3、光热转换元件4、传声器5、进气阀6、出气阀7、光源驱动8、信号采集与处理电路9和工控机10；光源驱动8接收信号采集与处理电路9产生的正弦调制信号对激光光源1进行电流调制；激光光源1发射的激光经光学准直器2入射到光声池3中，最后照射到光热转换元件4上；光声池3上设有进气阀6和出气阀7；传声器5安装在光声池3上，用于探测光声池3内产生的光声信号；信号采集与处理电路9的信号输入端与传声器5相连，采集传声器3探测的光声信号后进行数字信号处理；工控机10与信号采集与处理电路9相连，用于设置信号采集与处理电路9的工作参数并对信号采集与处理电路9输出的气体浓度测量值进行显示。
一种免校准的激光光声光谱微量气体检测方法，在传统气体吸收光声池中增加一个光热转换元件4，产生的固体光声信号作为参考信号，并利用波长调制技术和2f/1f检测方法测量气体浓度，实现对在激光光源功率变化下的免校准气体浓度测量，提高激光光声光谱仪器的测量稳定性和可靠性；具体步骤如下：
首先，光源驱动8接收信号采集与处理电路9产生的调制信号对激光光源1进行调制，实现对激光波长的扫描和正弦调制；激光光源1发出的激光经光学准直器2入射到光声池3，通入到光声池3中的气体吸收激光跃迁到高能级，然后在无辐射跃迁到基态的过程中释放热量使空气发生周期性膨胀，进而产生气体光声信号；透射气体后的激光照射到光热转换元件4上，同时使空气发生周期性膨胀，产生固体光声信号；传声器7将探测的光声信号转换为电信号后输入到信号采集与处理电路9的信号输入端，通过提取在气体吸收光谱中心处的基波以及二次谐波，根据2f/1f计算值可以反演出待测气体的浓度；最后，工控机10对测量结果进行显示和存储。
所述的激光光源1是波长可调谐的窄线宽半导体激光光源。
所述的激光光源1经电流调制后，其输出光功率和光波长同时被调制。
所述的光热转换元件4是具有高光热转换效率的器件。
所述的光热转换元件4的具有较宽的吸收光谱区域，在待测气体的吸收波长附件的吸光率无明显变化，使产生的固体光声信号中的2f分量幅度几乎为零。
所述的信号采集与处理电路9的核心是可同时测量基波和二次谐波信号幅度的信号检测器。
本发明的有益效果：仅仅需要在传统光声池中增加一个光热转换元件，即可引入一个背景光声信号作为参考，再采用TDLAS中通常采用的2f/1f比值测量法，即可实现免校准测量。该方法充分利用了光声光谱的小采气量和TDLAS的免校准测量的优势，大幅度提高了激光光声光谱系统对气体浓度测量的可靠性。本发明为高灵敏度和高可靠性微量气体检测提供了一种极具竞争力的技术方案。
附图说明
图1是本发明仪器的结构示意图。
图2是测试系统的结构示意图。
图3是测量的基波光声信号。
图4是测量的二次谐波光声信号。
图5是测量的2f/1f值随乙炔气体浓度变化的关系曲线。
图6是测量的2f/1f值随激光功率变化的关系曲线。
图7是在空气背景下本发明仪器测量的背景噪声。
图中：1激光光源；2光学准直器；3光声池；4光热转换元件；5传声器；6进气阀；7出气阀；8光源驱动；9信号采集与处理电路；10工控机；11光纤缠绕器；12光纤耦合器；13光功率计。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
一种免校准的激光光声光谱微量气体检测仪器，包括激光光源1、光学准直器2、光声池3、光热转换元件4、传声器5、进气阀6、出气阀7、光源驱动8、信号采集与处理电路9和工控机10。光源驱动8接收信号采集与处理电路9产生的调制信号对激光光源1进行电流调制，该调制信号是锯齿波和正弦波的叠加信号，实现对激光波长的扫描和调制；激光光源1发出的激光经光学准直器2进行光束准直后入射到光声池3，待测气体通过进气阀6进入光声池3；光声池3中的待测气体吸收激光跃迁到高能级，然后在无辐射跃迁到基态的过程中释放热量使空气发生周期性膨胀，进而产生气体的光声信号，透射气体后的激光照射到光热转换元件4上使光热转换元件4的表面发生振动，同时光热转换后的热量传递到气体中，使光声池内的气体发生周期性膨胀，产生光声信号；传声器7将探测的光声信号转换为电信号后输入到信号采集与处理电路9的信号输入端，通过提取在气体吸收光谱中心处的基波以及二次谐波，根据2f/1f计算值可以反演出待测气体的浓度；工控机10对测量结果进行显示和存储；最后，待测气体通过出气阀7从光声池3排出。
其中，激光光源1是波长可调谐的窄线宽分布反馈(DFB)激光器或者垂直腔面发射激光器(VCSEL)，中心波长为1532.83nm。光声池3是非共振光声池，内直径为5mm，长度为20mm。光热转换元件4是多层石墨烯片。信号采集与处理电路9是高性能数字锁相放大器，可同时提取基波和二次谐波光声信号。
图2是测试系统的结构示意图。激光光源1发射的激光通过光纤缠绕器11后，再通过耦合比为1∶99的光纤耦合器12，1％的光入射到光功率计13，对光源功率进行监测，另外99％的光入射到光声池。通过改变光纤在光纤缠绕器11上的缠绕圈数来改变光纤的弯曲损耗，得到不同的光声激发光功率，以此验证本发明仪器对光声激发光功率变化的免校准测量能力。
图3是测量的基波光声信号。向光声池中通入100ppm的乙炔/氮气混合气体，采用锁相放大技术测出波长调制下的基波光声信号幅度。
图4是测量的二次谐波光声信号。向光声池中通入100ppm的乙炔/氮气混合气体，采用锁相放大技术测出波长调制下的二次谐波光声信号幅度。
图5是测量的2f/1f值随乙炔气体浓度变化的关系曲线。向光声池中通入0ppm、20ppm、40ppm、60ppm、80ppm、100ppm的乙炔/氮气混合气体，采用锁相放大技术同时测出1532.83nm波长处的二次谐波和基波光声信号幅度，二次谐波信号幅度除以基波信号幅度得到的2f/1f值与气体浓度之间具有较好的线性关系，通过线性拟合得到响应度为0.005531ppm-1。
图6是测量的2f/1f值随激光功率变化的关系曲线。向光声池中通入100ppm的乙炔/氮气混合气体，通过改变光纤在光纤缠绕器11上的缠绕圈数来改变光声激发光功率。测试结果显示2f/1f值几乎不随光源功率的改变而变化，从而验证了本发明仪器对光声激发光功率变化的免校准测量能力。
图7是在空气背景下本发明仪器测量的背景噪声。背景噪声的一倍标准差为0.0023，根据响应度0.005531ppm-1，计算出系统的最小检测极限为0.416ppm。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种免校准的激光光声光谱微量气体检测方法，其特征在于，该方法基于一种免校准的激光光声光谱微量气体检测仪器实现，所述的免校准的激光光声光谱微量气体检测仪器包括激光光源(1)、光学准直器(2)、光声池(3)、光热转换元件(4)、传声器(5)、进气阀(6)、出气阀(7)、光源驱动(8)、信号采集与处理电路(9)和工控机(10)；光源驱动(8)接收信号采集与处理电路(9)产生的正弦调制信号对激光光源(1)进行电流调制；激光光源(1)发射的激光经光学准直器(2)入射到光声池(3)中，最后照射到光热转换元件(4)上；光声池(3)上设有进气阀(6)和出气阀(7)；传声器(5)安装在光声池(3)上，用于探测光声池(3)内产生的光声信号；信号采集与处理电路(9)的信号输入端与传声器(5)相连，采集传声器3探测的光声信号后进行数字信号处理；工控机(10)与信号采集与处理电路(9)相连，用于设置信号采集与处理电路(9)的工作参数并对信号采集与处理电路(9)输出的气体浓度测量值进行显示；
所述的方法，具体步骤如下：
首先，光源驱动(8)接收信号采集与处理电路(9)产生的调制信号对激光光源(1)进行调制，实现对激光波长的扫描和正弦调制；激光光源(1)发出的激光经光学准直器(2)入射到光声池(3)，通入到光声池(3)中的气体吸收激光跃迁到高能级，然后在无辐射跃迁到基态的过程中释放热量使空气发生周期性膨胀，进而产生气体光声信号；透射气体后的激光照射到光热转换元件(4)上，同时使空气发生周期性膨胀，产生固体光声信号；传声器7将探测的光声信号转换为电信号后输入到信号采集与处理电路(9)的信号输入端，通过提取在气体吸收光谱中心处的基波以及二次谐波，根据2f/1f计算值反演出待测气体的浓度；最后，工控机(10)对测量结果进行显示和存储。
2.根据权利要求1所述的激光光声光谱微量气体检测方法，其特征在于，所述的激光光源(1)是波长可调谐的窄线宽半导体激光光源。
3.根据权利要求1或2所述的激光光声光谱微量气体检测方法，其特征在于，所述的光热转换元件(4)是具有高光热转换效率的器件。
4.根据权利要求1或2所述的激光光声光谱微量气体检测方法，其特征在于，所述的信号采集与处理电路(9)可同时测量基波和二次谐波信号幅度的信号检测器。
5.根据权利要求3所述的激光光声光谱微量气体检测方法，其特征在于，所述的信号采集与处理电路(9)可同时测量基波和二次谐波信号幅度的信号检测器。
6.根据权利要求1、2或5所述的激光光声光谱微量气体检测方法，其特征在于，所述的光热转换元件(4)的具有较宽的吸收光谱区域，在待测气体的吸收波长附件的吸光率无明显变化，使产生的固体光声信号中的2f分量幅度几乎为零。
7.根据权利要求3所述的激光光声光谱微量气体检测方法，其特征在于，所述的光热转换元件(4)的具有较宽的吸收光谱区域，在待测气体的吸收波长附件的吸光率无明显变化，使产生的固体光声信号中的2f分量幅度几乎为零。
8.根据权利要求4所述的激光光声光谱微量气体检测方法，其特征在于，所述的光热转换元件(4)的具有较宽的吸收光谱区域，在待测气体的吸收波长附件的吸光率无明显变化，使产生的固体光声信号中的2f分量幅度几乎为零。
9.根据权利要求1所述的激光光声光谱微量气体检测方法，其特征在于，所述的激光光源(1)经电流调制后，其输出光功率和光波长同时被调制。
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