CN111896492A - 一种基于量子级联激光器的长光程气体检测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本公开公开的一种基于量子级联激光器的长光程气体检测系统和方法，包括：向光路辅助模块输出光的光源控制模块；光路辅助模块对光源控制模块输出光进行准直，准直后的光进入长光程气室；长光程气室内容纳待测气体，并对准直后的光进行多次折反射后输出；光电探测器，对长光程气室输出光进行探测，将探测到的光信号转化为电信号；光电信号采集模块，采集光电探测器发出的电信号，并对电信号进行分析，获取待测气体浓度。长光程气室内设置了多个角锥棱镜和凹面镜，对射入长光程气室的光线进行多次的折返射，从而提高了入射光的光程，进而提高了检测系统的检测精度。
Description
技术领域
本公开涉及一种基于量子级联激光器的长光程气体检测系统和方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
近年来，随着人口数量的不断增长、经济的迅速发展，人们对大气环境问题开始不断重视，这就使得实时环境监测成为目前研究重难点，大气中的痕量气体只占干空气的0.003％，含量极少，主要包括氮氧化合物、碳氢化合物、硫化物和氯化物。它们通过受到各种物理、化学、生物、地球过程的作用并参与生物地球化学的循环，对全球大气环境及生态造成了重大影响。
在现有气体检测技术中，激光光谱气体检测法具有灵敏度高的特点，尤其是量子级联激光器，它具有宽的调谐范围，高的输出功率，并能在室温下进行工作，其在中红外区有大范围的输出波长，因此可以实现对多种痕量气体的灵敏探测，为了提高痕量气体的检测灵敏度，所需要的光学系统必须具有足够长的光程，而如何提高放射光的光程，进而提高气体的检测灵敏度，是目前所要解决的技术问题。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种基于量子级联激光器的长光程气体检测系统和方法，进入长光程气室内的光束经过多次折返射，增大了光程，进而提高了气体检测灵敏度。
本公开的第一目的是，提出一种基于量子级联激光器的长光程气体检测系统，包括：
光源控制模块，用于输出光；
光路辅助模块，对光源控制模块输出光进行准直，准直后的光进入长光程气室；
长光程气室，用于容纳待测气体，并对准直后的光进行多次折反射后输出；
光电探测器，对长光程气室输出光进行探测，将探测到的光信号转化为电信号；
光电信号采集模块，采集光电探测器发出的电信号，并对电信号进行分析，获取待测气体浓度。
进一步的，所述光源控制模块，包括，量子级联激光器，与量子级联激光器连接的脉冲驱动电源，脉冲驱动电源连接温度控制器。
进一步的，所述光路辅助模块，包括，可见光源激光器和光源准直模块，可见光源激光器输出可见光，与光源控制模块输出光均进入光源准直模块进行重合准直。
进一步的，长光程气室内部设置气体池，气体池内设置反射镜、凹面镜和多个角锥棱镜，多个角锥棱镜位于靠近光线入射侧，多个角锥棱镜的对侧安装凹面镜，凹面镜对入射光线进行反射，反射后的光在角锥棱镜和凹面镜间多次反射，多次反射后的光经反射镜反射后输出。
进一步的，长光程气室上设置光线入射口和出射口，准直后的光经入射口进入气体池，反射镜反射后的光经出射口输出。
进一步的，长光程气室上设置进气口和出气口，进气口、出气口均与气体池连通。
进一步的，长光程气室内还设置温度控制器和压力控制器。
进一步的，光电信号采集模块，包括，依次连接的前置放大器、锁相放大器、高速信号采集板和主机，前置放大器接收光电探测器输出电信号并进行放大，放大后电信号经锁相放大器进行噪声分离，噪声分离后电信号经高速信号采集板转化为数字二进制形式后，传送至主机。
优选的，主机与光源控制模块连接，对光源控制模块输出光进行控制。
本公开的第二目的是，提出一种基于量子级联激光器的长光程气体检测系统的使用方法，包括：
对长光程气室的气体池进行反复的抽真空冲洗；
向冲洗后的气体池中，充入待测气体；
光源控制模块输出光，经光路辅助模块准直后进入长光程气室内，经多次反射后输出，光电探测器对长光程气室输出光进行探测，将探测到的光信号转化为电信号并输出至光电信号采集模块，光电信号采集模块采集光电探测器发出的电信号，并对电信号进行分析，获取待测气体浓度。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1、本公开的长光程气室内设置了多个角锥棱镜和凹面镜，对射入长光程气室的光线进行多次的折返射，从而提高了入射光的光程，进而提高了检测系统的检测精度。
2、本公开的长光程气室，可以通过调整相邻两个角锥棱镜间角度，增加或减少角锥棱镜的数量，来满足不同光程长度的要求。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本公开整体结构原理图；
图2为本公开长光程气室结构剖面图。
其中：1、脉冲驱动电源，2、温度控制器，3、量子级联激光器，4、可见光源激光器，5、光源准直模块，6、温度控制器，7、压力控制器，8、长光程气室，9、光电探测器，10、前置放大器，11、锁相放大器，12、高速信号采集板，13、主机，14、出射口，15、入射口，16、进气口，17、出气口，18、角锥棱镜，19、反射镜，20、凹面镜。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
实施例1
为了提高气体检测的精度，在该实时例中，公开了一种基于量子级联激光器的长光程气体检测系统，包括，光源控制模块、光路辅助模块、吸收光谱探测模块和光电信号采集模块。
光源控制模块，包括脉冲驱动电源1、温度控制器2、量子级联激光器3，脉冲驱动电源1与量子级联激光器3连接，为量子级联激光器3的正常工作提供稳定的脉冲电流供应，温度控制器2与脉冲驱动电源1连接，使量子级联激光器3在目标温度下工作，脉冲驱动电源1和温度控制器2共同作用于量子级联激光器3，使其输出特定波长的中红外光。
光路辅助模块，包括可见光源激光器4和光源准直模块5，由于高功率的中红外量子级联激光器发射的波长范围大致为3.8um-12um，此波长范围内的中红外激光对人眼不可见，因此，需要使用一束可见光作为指示光，目的是构成一个光路辅助电路，辅助调节光路，光路准直模块5分别与量子级联激光器3和可见光激光器4相连，将中红外激光束与可见光束重合，经过反射、准直等一系列操作后，由一定的角度入射到长光程气室8的气体池内。
吸收光谱探测模块，包括温度控制器6、压力控制器7、长光程气室8和光电探测器9，温度控制器6和压力控制器7安装于长光程气室8内，对长光程气室8内部的气压及工作温度进行监测，以减小测量误差。
长光程气室8内设置容纳待测气体的气体池，根据比尔-朗伯定律公式：I(λ)＝I0(λ)e-k(λ)xc可知：物质的吸光度与吸收层物质的浓度以及光程长度成正比关系，也就是说，增加光程是最简单的提高探测灵敏度的方法，为此，对传统的气体池进行了改进。
长光程气室8的一端设置光线入射口15和出射口14，入射口15和出射口14位于同侧，光线经入射口15进入气体池，在气体池内多次折返射后经出射口14输出，为了提高光线的光程，在气体池内设置了凹面镜20、反射镜19和多个角锥棱镜18，多个角锥棱镜18位于靠近光线入射口15一侧形成多级反射光路，凹面镜20安装在角锥棱镜18的对侧，采用角锥棱镜18与凹面镜20作为反射元件，利用光的反射技术使光在气体池内进行多次折返，同时保证能量尽可能少的损失，在有限体积的气体池内实现光程加长，经过光源准直模块准直后的光线进入气体池后，经凹面镜对入射光线进行反射，反射后的光在角锥棱镜18和凹面镜20间多次反射，不断增加实际光程长度，从而达到气体检测精度的要求，多次反射后的光经反射镜19反射后由出射口14输出，出射口14输出光束由光电探测器9进行探测，光电探测器9将探测到的光信号转化为电信号进行输出。
长光程气室8的上侧设置进气口16和出气口17，进气口16和出气口17均与气体池连通，进气口16和出气口17均只在气体流通时打开，在其余时刻关闭。
气体池中角锥棱镜18的安装角度和数量，来获取不同的光程长度，从而满足不同的探测气体要求。
光电信号采集模块，包括前置放大器10、锁相放大器11、高速信号采集板12和主机13，前置放大器10接收光电探测器9输出电信号并进行放大，放大后电信号经锁相放大器11进行噪声分离，噪声分离后电信号经高速信号采集板12转化为数字二进制形式后，传送至主机13进行分析，获取待测气体浓度。
主机13还可根据分析结果对光源控制模块进行控制，使光源控制模块输出特定波长的中红外光。
长光程气室8内设置了多个角锥棱镜18和凹面镜20，对射入长光程气室8的光线进行多次的折返射，从而提高了入射光的光程，进而提高了检测系统的检测精度。
实施例2
在该实施例中，公开了一种基于量子级联激光器的长光程气体检测系统的使用方法，包括：
实验前对长光程气室的气体池进行反复的抽真空冲洗：为了避免其他气体干扰和减小气体池的吸附作用导致的测量结果不准确性，实验前将气体池多次抽真空，然后用纯氮气进行冲洗，最后再抽真空；
向冲洗后的气体池中，充入待测气体；
光源控制模块输出光，经光路辅助模块准直后进入长光程气室内，经多次反射后输出，光电探测器对长光程气室输出光进行探测，将探测到的光信号转化为电信号并输出至光电信号采集模块，光电信号采集模块采集光电探测器发出的电信号，并对电信号进行分析，获取待测气体浓度。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于量子级联激光器的长光程气体检测系统，其特征在于，包括：
光源控制模块，用于输出光；
光路辅助模块，对光源控制模块输出光进行准直，准直后的光进入长光程气室；
长光程气室，用于容纳待测气体，并对准直后的光进行多次折反射后输出；
光电探测器，对长光程气室输出光进行探测，将探测到的光信号转化为电信号；
光电信号采集模块，采集光电探测器发出的电信号，并对电信号进行分析，获取待测气体浓度。
2.如权利要求1所述的一种基于量子级联激光器的长光程气体检测系统，其特征在于，所述光源控制模块，包括，量子级联激光器，与量子级联激光器连接的脉冲驱动电源，脉冲驱动电源连接温度控制器。
3.如权利要求1所述的一种基于量子级联激光器的长光程气体检测系统，其特征在于，所述光路辅助模块，包括，可见光源激光器和光源准直模块，可见光源激光器输出可见光，与光源控制模块输出光均进入光源准直模块进行重合准直。
4.如权利要求1所述的一种基于量子级联激光器的长光程气体检测系统，其特征在于，长光程气室内部设置气体池，气体池内设置反射镜、凹面镜和多个角锥棱镜，多个角锥棱镜位于靠近光线入射侧，多个角锥棱镜的对侧安装凹面镜，凹面镜对入射光线进行反射，反射后的光在角锥棱镜和凹面镜间多次反射，多次反射后的光经反射镜反射后输出。
5.如权利要求4所述的一种基于量子级联激光器的长光程气体检测系统，其特征在于，所述长光程气室上设置光线入射口和出射口，准直后的光经入射口进入气体池，反射镜反射后的光经出射口输出。
6.如权利要求4所述的一种基于量子级联激光器的长光程气体检测系统，其特征在于，所述长光程气室上设置进气口和出气口，进气口、出气口均与气体池连通。
7.如权利要求1所述的一种基于量子级联激光器的长光程气体检测系统，其特征在于，所述长光程气室内还设置温度控制器和压力控制器。
8.如权利要求1所述的一种基于量子级联激光器的长光程气体检测系统，其特征在于，所述光电信号采集模块，包括，依次连接的前置放大器、锁相放大器、高速信号采集板和主机，前置放大器接收光电探测器输出电信号并进行放大，放大后电信号经锁相放大器进行噪声分离，噪声分离后电信号经高速信号采集板转化为数字二进制形式后，传送至主机。
9.如权利要求8所述的一种基于量子级联激光器的长光程气体检测系统，其特征在于，主机与光源控制模块连接，对光源控制模块输出光进行控制。
10.一种基于量子级联激光器的长光程气体检测系统的使用方法，其特征在于，包括：
对长光程气室的气体池进行反复的抽真空冲洗；
向冲洗后的气体池中，充入待测气体；
光源控制模块输出光，经光路辅助模块准直后进入长光程气室内，经多次反射后输出，光电探测器对长光程气室输出光进行探测，将探测到的光信号转化为电信号并输出至光电信号采集模块，光电信号采集模块采集光电探测器发出的电信号，并对电信号进行分析，获取待测气体浓度。
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