CN111398215B - 便携式中红外高灵敏度多组分气体测量分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种便携式中红外高灵敏度多组分气体测量分析系统，属于激光测量技术领域，包括光参量振荡器、吸收池和数据处理系统；光参量振荡器的光经分束器A分为两路，一路经吸收池、探测器A分别连接数据处理系统和数字锁相放大器，数字锁相放大器与数据处理系统连接；另一路连接有分束器B，并分为两路，两路分别经探测器B和迈克尔逊干涉仪连接至数据处理系统；数据处理系统还连接有电流驱动模块和温度控制模块，所述电流驱动模块和温度控制模块均与光参量振荡器连接。本发明可实时高灵敏度探测多种类窄分子和宽分子光谱物质。
Description
技术领域
本发明涉及一种便携式中红外高灵敏度多组分气体测量分析系统及其工作方法，属于激光测量技术领域。
背景技术
我国大气污染的主要原因是由于工业、化工园区等行业污染气体排放以及二次污染造成的。这些主要污染气体包含有机物如烷烃、苯等有机物以及硫化氢、氨气等无机物。随着国家政府部门监督力度越来越大，这些化工园区普遍采用了传统的电化学方法作为监测手段。但是对于化工园区一些痕量气体的泄漏监测，所采用的方法具有灵敏度低、组分单一等缺陷。尽管质谱技术手段可以实现高灵敏度多组分气体探测，但采集和处理时间在1个小时以上，测量周期长、实时性差。
利用光学手段的多组分气体测量具有实时性强的特点，如光声光谱方法和傅里叶光谱仪。光声光谱只能测量窄光谱气体分子(<2nm)如甲烷、氨气等，不能测量宽广谱气体分子光谱(>100nm)如丙酮、丙烷等。傅里叶光谱仪可以测量窄线宽和宽光谱气体分子，但是测量灵敏度比较低，一般在ppm级别。
因此，发明一种便携式高灵敏度多组分气体测量装置对于分析气体微量成分具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种便携式中红外高灵敏度多组分气体测量分析系统及其工作方法，结构简单紧凑、灵敏度高，可实时高灵敏度探测多种类窄分子如甲烷、硫化氢等和宽分子光谱物质如烃化合物。
本发明采用以下技术方案：
一种便携式中红外高灵敏度多组分气体测量分析系统，包括光参量振荡器、吸收池和数据处理系统；
所述光参量振荡器的光经分束器A分为两路，一路经吸收池、探测器A分别连接数据处理系统和数字锁相放大器，数字锁相放大器与数据处理系统连接；另一路连接有分束器B，并分为两路，两路分别经探测器B和迈克尔逊干涉仪连接至数据处理系统；
另外一路光信号经过分束器B分束后，分别经碲镉汞探测器B(MCT)转化为电信号(用于监测激光能量变化)，和迈克尔逊干涉仪后转为电信号(用于实时监测激光波长变化)，两路电信号被数据处理系统采集；
所述数据处理系统还连接有电流驱动模块和温度控制模块，所述电流驱动模块和温度控制模块均与光参量振荡器连接。
当测量宽分子光谱时，采用腔积分输出光谱方法，此时电信号直接经数据处理系统采集；当测量窄分子光谱时，另外一路信号进入到数字锁相放大器，获得驱动电流调制频率的二次谐波信号(具体原理属于现有技术)，经数据处理系统采集。
优选的，所述光参量振荡器包括可调谐蝶形半导体激光器、光纤放大器、激光透镜和高反射率环形泵浦腔，所述高反射率环形泵浦腔包括高反射镜片A、MgO:PPLN晶体、高反射镜片B、高反射镜片C、标准具和高反射镜片D；
可调谐蝶形半导体激光器发出的激光通过光纤放大器放大后，经激光透镜整形后，进入高反射率环形泵浦腔，依次经过高反射镜片A、MgO:PPLN晶体、高反射镜片B、高反射镜片C、标准具、高反射镜片D，又返回至高反射镜片A、MgO:PPLN晶体、高反射镜片B，耦合输出中红外波段激光。
为了防止镜片对中红外激光的吸收，高反射镜片A、高反射镜片B、高反射镜片C、高反射镜片D均采用CaF2材料。
高反射镜片A、高反射镜片C、高反射镜片D的镀膜参数均为：HT@1064nm(T>95％)，HR@1.3-5.0μm(R>99％)，即一面镀有1064nm的高透膜，其透过率大于95％，另一面镀有1.3-5.0μm的高反膜，其反射率大于99％；
高反射镜片B的镀膜参数为HR@1064nm(R>99％)，HR@1.3-2.1μm(R>99.5％)，HT@2.1-5.0μm(T>90％)，即一面镀有1064nm,1.3-2.1μm的高反膜，反射率分别大于99％和99.5％，另一面镀有2.1-5.0μm的高透膜，透过率大于90％；
MgO:PPLN晶体为非线性晶体，镀膜参数为：HT@1064nm，HT@1.3-5.0μm(T>95％)，即在晶体的输入端面镀有1064nm高透膜，其透过率大于95％，在晶体的输出端面镀有1.3-5.0μm的高透膜，其透过率大于95％。
本发明的光参量振荡器采用的是一种蝶形环形腔结构，主要是原理是利用快速扫频的DFB蝶形激光器(中心波长1064nm，功率50mW，线宽<10MHz)作为种子光注入掺镱的光纤放大器，获得20W可扫频的1064nm(1064±2nm)线偏振光，以此激光作为泵浦源，泵浦MgO:PPLN晶体，在40-200℃的温度范围得到了从1344.6nm到5103.2nm的调谐输出，最终产生中红外激光，也可通过调节晶体温度，使其发射峰对准气体吸收峰，用于气体探测，本发明所使用的光参量振荡器可以在窄范围波长(<2nm)内可以实现10KHz的快速调谐，也可以实现宽范围的快速调谐。
优选的，所述分束器A的分束比为45/55，其中55％能量的光信号耦合进入吸收池，45％能量的光信号进入分束器B，可选择普通市售产品。
优选的，所述分束器A和分束器B的型号为Thorlabs PB145B4。
优选的，探测器A和探测器B均为碲镉汞探测器。
优选的，所述吸收池的两个通光面为透明的石英玻璃，沿光路方向第一个石英玻璃的激光输出面，以及第二个石英玻璃的激光输入面均镀有高反膜(反射率>99.9％)，吸收池为高反射率吸收池，采用了两片高反射率的石英玻璃组成，增加了激光在吸收池内反射的次数，增强了吸收信号的强度。
优选的，数据处理系统采用具有16通道A/D采集，4通道D/A输出即可，数据处理系统包括数据采集卡和计算机，数据采集卡采用PCIe5620，计算机为CPU 3.10G，RAM 16G，Windows10；数据处理系统可实现对电流驱动模块和温度控制模块输送命令，以及多通道数据采集，数据处理系统是由计算机和PCI数据采集卡组成的多功能数据处理系统，可向光参量振荡器的电流驱动模块和温度控制模块输送命令，连接即可。
数据处理系统还连接有显示器，用于数据显示。
优选的，所述电流驱动模块可自主设计或采用现有的电流驱动模块，如采用武汉六九传感科技有限公司的M-PCB-GP01。
温度控制模块采用单片机STM32结合PID算法实现对激光器PPLN的温度调节和控制，控制精度可达到0.01度，此过程为现有技术，也参考现有技术。
优选的，还包括一机箱体，整个系统可集成在该机箱体内，结构紧凑，可以实现便携。
一种上述的便携式中红外高灵敏度多组分气体测量分析系统的工作方法，当测量窄分子光谱时(光谱范围<2nm)，数据处理系统向温度控制模块和电流驱动模块传输温度设定命令和电流调制参数，光参量振荡器发出的激光经吸收池、探测器A转换为电信号，通过数字锁相放大器处理获得二次谐波信号，此时数据处理系统采集数字锁相放大器处理后的信号，并根据二次谐波信号与气体浓度的线性关系表(该表是在本系统校准时，通过输入不同浓度的标准气体而获得不同的浓度信号而建立的，用于测量时获得浓度信号范艳得到气体浓度)反演得到浓度信号；
不同的气体分子对应不同的光谱特征，可以通过扫描光参量振荡器的温度实现大范围光谱扫描，从而实现多组分气体测量；
待测气体不同时，数据处理系统向温度控制模块和电流驱动模块传输温度设定命令和电流调制参数，可根据气体种类在数据处理系统内设定，不同的温度和电流，导致光参量振荡器发出的激光不同，能够适应待测气体的波长要求，具体波长要求、以及所需要的温度和电流大小均可参考现有技术进行设定。
对于窄分子光谱(光谱范围<2nm)，通过调节加载在电流驱动模块的正弦波和锯齿波驱动电流实现对气体分子的波长调制，通过对温度控制模块对温度的选择实现对目标气体特征波长的选择，当电流驱动模块的正弦波被数字锁相放大器接收时，数字锁相放大器工作。
当测量宽分子光谱时(光谱范围>10nm)，数据处理系统向温度控制模块传输温度调节命令，实现对激光器波长宽范围的扫描，光参量振荡器发出的激光分三路，分别经过迈克尔逊干涉仪、探测器B和吸收池，三路信号经数据处理系统采集，获得气体浓度，并可在显示器上显示。
三路信号分别表示为I(t,v)，I(t,T)，Im(t,v,T)，分别为激光频率的实时信号、激光强度的实时信号以及激光测量结果信号，首先通过Im(t,v,T)减去a*I(t,T)删除激光强度本底信号，获得中间处理信号Im(t,v)，利用I(t，v)中的时间与中间处理信号Im(t,v)的时间数据，确定在同一时间下Im(t,v)的激光频率和信号强度，得到所测量的吸收强度。并根据气体分子标准数据库(HITRAN)的气体分子吸收截面计算得到浓度信号，其中，a为Im(t,v，T)和I(t，T)的背景幅度比。
探测宽分子光谱，采用腔积分输出光谱方法，不适合使用锁相放大器，而探测窄分子光谱时，为比较精细的分子，适合使用锁相放大器，本发明的系统可同时探测宽分子光谱和窄分子光谱。
本发明未详尽之处，均可采用现有技术进行。
本发明的有益效果为：
1)本发明采用光参量振荡器、高反射率吸收池以及激光吸收光谱技术结合，实现对气体的高灵敏度测量，测量灵敏度可达ppb级别。
2)本发明可以通过调节晶体温度，可以选择实现对气体的多组分测量。
3)本发明的迈克尔逊干涉仪利用傅里叶光谱实现了对波长的实时校准，避免了温度变化引起的波长变化。
4)本发明采用了激光功率作为监测手段，实时测量激光能量的变化，实时获得了激光强度信号背景，便于后期数据处理。
5)本发明探测宽分子光谱，采用腔积分输出光谱方法，不适合使用锁相放大器，而探测窄分子光谱时，为比较精细的分子，适合使用锁相放大器，本发明的系统将两者方法集成在一个系统里，可同时探测宽分子光谱和窄分子光谱。
附图说明
图1为本发明的便携式中红外高灵敏度多组分气体测量分析系统的一种实施例的结构示意图；
图2为某一实施例的光参量振荡器的结构示意图；
其中，1-光参量振荡器，2-吸收池，3-探测器A，4-温度控制模块，5-电流驱动模块，6-数字锁相放大器，7-数据处理系统，8-显示器，9-分束器A，10-分束器B，11-探测器B，12-迈克尔逊干涉仪，13-可调谐蝶形半导体激光器，14-光纤放大器，15-激光透镜，16-高反射率镜片A，17-高反射率镜片B，18-高反射率镜片C，19-标准具，20-高反射率镜片D，21-MgO:PPLN晶体。
具体实施方式：
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1：
一种便携式中红外高灵敏度多组分气体测量分析系统，如图1所示，包括光参量振荡器1、吸收池2和数据处理系统7；
光参量振荡器1的光经分束器A9分为两路，一路经吸收池2、探测器A3分别连接数据处理系统7和数字锁相放大器6，数字锁相放大器6与数据处理系统7连接；另一路连接有分束器B10，并分为两路，两路分别经探测器B11和迈克尔逊干涉仪12连接至数据处理系统7；
另外一路光信号经过分束器B10分束后，分别经碲镉汞探测器B(MCT)转化为电信号(用于监测激光能量变化)，和迈克尔逊干涉仪12后转为电信号(用于实时监测激光波长变化)，两路电信号被数据处理系统采集；
数据处理系统7还连接有电流驱动模块5和温度控制模块4，电流驱动模块5和温度控制模块4均与光参量振荡器1连接。
所述光参量振荡器包括可调谐蝶形半导体激光器13、光纤放大器14、激光透镜15和高反射率环形泵浦腔，高反射率环形泵浦腔包括高反射镜片A 16、MgO:PPLN晶体21、高反射镜片B17、高反射镜片C18、标准具19和高反射镜片D 20；
可调谐蝶形半导体激光器13发出的激光通过光纤放大器14放大后，经激光透镜15整形后，进入高反射率环形泵浦腔，依次经过高反射镜片A 16、MgO:PPLN晶体21、高反射镜片B17、高反射镜片C18、标准具19、高反射镜片D 20，又返回至高反射镜片A 16、MgO:PPLN晶体21、高反射镜片B17，耦合输出中红外波段激光。
为了防止镜片对中红外激光的吸收，高反射镜片A 16、高反射镜片B17、高反射镜片C18、高反射镜片D 20均采用CaF2材料。
高反射镜片A 16、高反射镜片C18、高反射镜片D 20的镀膜参数均为：HT@1064nm(T>95％)，HR@1.3-5.0μm(R>99％)，即一面镀有1064nm的高透膜，其透过率大于95％，另一面镀有1.3-5.0μm的高反膜，其反射率大于99％；
高反射镜片B17的镀膜参数为HR@1064nm(R>99％)，HR@1.3-2.1μm(R>99.5％)，HT@2.1-5.0μm(T>90％)，即一面镀有1064nm,1.3-2.1μm的高反膜，反射率分别大于99％和99.5％，另一面镀有2.1-5.0μm的高透膜，透过率大于90％；
MgO:PPLN晶21体为非线性晶体，镀膜参数为：HT@1064nm，HT@1.3-5.0μm(T>95％)，即在晶体的输入端面镀有1064nm高透膜，其透过率大于95％，在晶体的输出端面镀有1.3-5.0μm的高透膜，其透过率大于95％。
本发明的光参量振荡器采用的是一种蝶形环形腔结构，主要是原理是利用快速扫频的DFB蝶形激光器(中心波长1064nm，功率50mW，线宽<10MHz)作为种子光注入掺镱的光纤放大器，获得20W可扫频的1064nm(1064±2nm)线偏振光，以此激光作为泵浦源，泵浦MgO:PPLN晶体，在40-200℃的温度范围得到了从1344.6nm到5103.2nm的调谐输出，最终产生中红外激光，也可通过调节晶体温度，使其发射峰对准气体吸收峰，用于气体探测，本发明所使用的光参量振荡器可以在窄范围波长(<2nm)内可以实现10KHz的快速调谐，也可以实现宽范围的快速调谐。
分束器A 9的分束比为45/55，其中55％能量的光信号耦合进入吸收池2，45％能量的光信号进入分束器B10，分束器A 9和分束器B10的型号均为Thorlabs PB145B4。
探测器A和探测器B均为碲镉汞探测器。
吸收池2的两个通光面为透明的石英玻璃，沿光路方向第一个石英玻璃的激光输出面，以及第二个石英玻璃的激光输入面均镀有高反膜(反射率>99.9％)，吸收池为高反射率吸收池，采用了两片高反射率的石英玻璃组成，增加了激光在吸收池内反射的次数，增强了吸收信号的强度。
数据处理系统采用具有16通道A/D采集，4通道D/A输出即可，数据处理系统包括数据采集卡和计算机，数据采集卡采用PCIe5620，计算机为CPU 3.10G，RAM 16G，Windows10；数据处理系统可实现对电流驱动模块和温度控制模块输送命令，以及多通道数据采集，数据处理系统是由计算机和PCI数据采集卡组成的多功能数据处理系统，可向光参量振荡器的电流驱动模块和温度控制模块输送命令，连接即可。
数据处理系统还连接有显示器，用于数据显示。
电流驱动模块采用武汉六九传感科技有限公司的M-PCB-GP01。
温度控制模块采用单片机STM32结合PID算法实现对激光器PPLN的温度调节和控制，控制精度可达到0.01度，此过程为现有技术，也参考现有技术。
本发明的系统还包括一机箱体，整个系统可集成在该机箱体内，结构紧凑，可以实现便携。
当测量窄分子光谱时，数据处理系统7向温度控制模块4和电流驱动模块5传输温度设定命令和电流调制参数，光参量振荡器1发出的激光经吸收池2、探测器A 3转换为电信号，通过数字锁相放大器6处理获得二次谐波信号，此时数据处理系统7采集数字锁相放大器6处理后的信号，并根据二次谐波信号与气体浓度的线性关系表反演得到浓度信号，其中，线性关系表是在本系统校准时，通过输入不同浓度的标准气体而获得不同的浓度信号而建立的，用于测量时获得浓度信号反演得到气体浓度；
当测量宽分子光谱时，数据处理系统7向温度控制模块4传输温度调节命令，实现对激光器波长宽范围的扫描，光参量振荡器1发出的激光分三路，分别经过迈克尔逊干涉仪12、探测器B11和吸收池2，三路信号经数据采集系统采集，获得气体浓度。
实施例2：
一种便携式中红外高灵敏度多组分气体测量分析系统，当测量气体甲烷时，数据处理系统7向温度控制模块4传输命令，设定温度为90℃，同时向电流驱动模块5电流传输命令，调节光参量振荡器1的泵浦光信号，从而实现光参量振荡器1输出激光频率变化；设定三角波调谐频率为10Hz，正弦调谐频率10KHz，激光输出调谐波长3.3um，覆盖甲烷气体吸收线；激光经过吸收池2后，经探测器A 3转为光电信号，正弦调谐频率信号输入数字锁相放大器的参考信号通道，而探测器A的信号连接到锁相放大器的输入通道，参考信号通道经过内部倍频后，与输入通道信号混频及解调，获得二次谐波信号，通过二次谐波信号可以获得甲烷的气体浓度，根据二次谐波信号与甲烷气体浓度的线性关系获得气体浓度。
实施例3：
一种便携式中红外高灵敏度多组分气体测量分析系统，当测量宽分子光谱(光谱范围>10nm)，如汽油挥发物时，此时光参量振荡器1的泵浦波长1064nm保持不变，数据处理系统7向温度控制模块4传输温度调节90-200℃，实现对光参量振荡器波长从1.5-5um的宽范围的扫描，光参量振荡器1的激光分为三路，分别经过迈克尔逊干涉仪12、探测器B、以及吸收池2，三路信号经光电转化后，经数据处理系统7采集，获得三路信号为表示为I(t,v)，I(t,T)，Im(t,v,T)，分别为激光频率的实时信号、激光强度的实时信号以及激光测量结果信号。首先通过Im(t,v,T)减去a*I(t,T)删除激光强度本底信号，获得中间处理信号Im(t,v)，利用I(t,v)中的时间与Im(t,v)的时间数据，确定在同一时间下Im(t,v)的激光频率和信号强度，得到所测量的吸收强度，并根据气体分子标准数据库(HITRAN)的气体分子吸收截面计算获得浓度信号，其中，a为Im(t,v,T)和I(t,T)的背景幅度比。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种便携式中红外高灵敏度多组分气体测量分析系统，其特征在于，包括光参量振荡器、吸收池和数据处理系统；
所述光参量振荡器的光经分束器A分为两路，一路经吸收池、探测器A后，探测器A分别连接数据处理系统和数字锁相放大器，数字锁相放大器与数据处理系统连接；另一路连接有分束器B，并分为两路，两路分别经探测器B和迈克尔逊干涉仪连接至数据处理系统；
所述数据处理系统还连接有电流驱动模块和温度控制模块，所述电流驱动模块和温度控制模块均与光参量振荡器连接；
当测量窄分子光谱时，数据处理系统向温度控制模块和电流驱动模块传输温度设定命令和电流调制参数，光参量振荡器发出的激光经吸收池、探测器A转换为电信号，通过数字锁相放大器处理获得二次谐波信号，此时数据处理系统采集数字锁相放大器处理后的信号，并根据二次谐波信号与大气浓度的线性关系表反演得到浓度信号；
当测量宽分子光谱时，数据处理系统向温度控制模块传输温度调节命令，实现对激光器波长宽范围的扫描，光参量振荡器发出的激光分三路，分别经过迈克尔逊干涉仪、探测器B和吸收池，三路信号经数据处理系统采集，三路信号分别表示为I(t,v)，I(t,T)，Im(t,v,T)，分别为激光频率的实时信号、激光强度的实时信号以及激光测量结果信号，首先通过Im(t,v,T)减去a*I(t,T)删除激光强度本底信号，获得中间处理信号Im(t,v)，利用I(t，v)中的时间与中间处理信号Im(t,v)的时间数据，确定在同一时间下Im(t,v)的激光频率和信号强度，得到所测量的吸收强度，并根据气体分子标准数据库的气体分子吸收截面计算得到浓度信号，其中，a为Im(t,v，T)和I(t，T)的背景幅度比。
2.根据权利要求1所述的便携式中红外高灵敏度多组分气体测量分析系统，其特征在于，所述光参量振荡器包括可调谐蝶形半导体激光器、光纤放大器、激光透镜和高反射率环形泵浦腔，所述高反射率环形泵浦腔包括高反射镜片A、MgO:PPLN晶体、高反射镜片B、高反射镜片C、标准具和高反射镜片D；
可调谐蝶形半导体激光器发出的激光通过光纤放大器放大后，经激光透镜整形后，进入高反射率环形泵浦腔，依次经过高反射镜片A、MgO:PPLN晶体、高反射镜片B、高反射镜片C、标准具、高反射镜片D，又返回至高反射镜片A、MgO:PPLN晶体、高反射镜片B，耦合输出中红外波段激光。
3.根据权利要求2所述的便携式中红外高灵敏度多组分气体测量分析系统，其特征在于，高反射镜片A、高反射镜片B、高反射镜片C、高反射镜片D均采用CaF2材料；
高反射镜片A、高反射镜片C、高反射镜片D的镀膜参数均为：一面镀有1064nm波长的高透膜，其透过率大于95％，另一面镀有1.3-5.0μm波长的高反膜，其反射率大于99％；
高反射镜片B的镀膜参数为：一面镀有1064nm波长,1.3-2.1μm波长的高反膜，反射率分别大于99％和99.5％，另一面镀有2.1-5.0μm波长的高透膜，透过率大于90％；
MgO:PPLN晶体为非线性晶体，镀膜参数为：在晶体的输入端面镀有1064nm波长的高透膜，其透过率大于95％，在晶体的输出端面镀有1.3-5.0μm的高透膜，其透过率大于95％。
4.根据权利要求1所述的便携式中红外高灵敏度多组分气体测量分析系统，其特征在于，所述分束器A的分束比为45/55，其中55％能量的光信号耦合进入吸收池，45％能量的光信号进入分束器B。
5.根据权利要求1所述的便携式中红外高灵敏度多组分气体测量分析系统，其特征在于，所述分束器A和分束器B的型号为Thorlabs PB145B4。
6.根据权利要求1所述的便携式中红外高灵敏度多组分气体测量分析系统，其特征在于，所述吸收池的两个通光面为透明的石英玻璃，沿光路方向第一个石英玻璃的激光输出面，以及第二个石英玻璃的激光输入面均镀有高反膜。
7.根据权利要求1所述的便携式中红外高灵敏度多组分气体测量分析系统，其特征在于，所述数据处理系统包括数据采集卡和计算机，数据采集卡采用PCIe5620，计算机为CPU3.10G，RAM 16G，Windows10；
数据处理系统还连接有显示器。
8.根据权利要求1所述的便携式中红外高灵敏度多组分气体测量分析系统，其特征在于，所述电流驱动模块采用武汉六九传感科技有限公司的M-PCB-GP01。
9.根据权利要求1所述的便携式中红外高灵敏度多组分气体测量分析系统，其特征在于，还包括一机箱体。
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