CN112147098A - 一种基于反常色散效应的气体种类与浓度检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于反常色散效应的气体种类与浓度检测系统，该系统包括扫描光源，扫描波长范围应大于特定气体的反常色散区，即所述吸收区；发出的激光经过第一耦合器分成两束光，一束光通过长程吸收池，另一束光通过参考光路，两束光在第二耦合器处相汇并干涉；干涉信号经光电探测器后转换为电信号，电信号进入信号解调模块解调出相位和强度变化。本发明在保留气体吸收光谱法探测方法的基础上，引入了干涉检测技术。基于气体的反常色散效应，气体在吸收区附近的吸收系数和折射率发生大幅度变化，据此可以用干涉信号的相位和幅值变化表征气体的种类和浓度，提高系统检测灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体种类与浓度检测系统，尤其涉及的是一种基于反常色散效应的气体种类与浓度检测系统。
背景技术
由于光与物质相互作用，光在介质中传输表现出不同波长的光速度不同，这种现象叫作光的色散，可以使用折射率来表示。光的色散现象的另一种表现方式是当复色光在介质界面上折射时，介质对不同波长的光有不同的折射率，各色光因所形成的折射角不同而彼此分离。当波长越大而折射率越小，且折射率关于波长的变化率即色散率dn/dλ＜0，称为正常色散；当波长越大而折射率越大，且折射率关于波长的变化率即色散率dn/dλ＞0，称为反常色散。根据光的色散理论，反常色散区域的出现与物质对光的吸收有关，其特点如下:(1)产生反常色散波段的位置与具体的物质有关，即不同的物质的反常色散波段不同；(2)在反常色散区域内,折射率随着入射波长的增大而变大，且折射率在这个狭窄的波段范围内有明显的变化；(3)在此区域内会出现吸收峰值。
世界各国都在发展各种气体检测技术，以满足大气环境监测、温室效应变化、空气污染状况、医学健康诊断、工业生产安全，甚至国防军事、国家安全以及反恐等领域对及时、准确、高效的气体检测技术的需求。常用的测量气体方法主要有红外吸收光谱法、电化学法和化学传感器法等。红外吸收光谱法是近十多年来迅速发展的新型检测技术，利用气体分子选择性吸收某些波长的光的特性，根据吸收量的大小，实现气体种类及浓度的表征测量。与其它方法相比较，有测量范围宽、灵敏度高、选择性良好、不中毒、寿命长、响应快等一系列优点，受到国内外广泛重视，具有良好的技术发展前景。
红外吸收光谱法技术的发展受限于光源的强度噪声，光电探测器的电噪声及吸收池的尺寸，限制了气体浓度可探测的下线。为进一步提高探测灵敏度，降低气体浓度探测值，研究人员探索了各种方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于光反常色散效应的气体种类与浓度检测系统，以期可以提高系统检测灵敏度。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于反常色散效应的气体种类与浓度检测系统，包括扫描激光器、长程吸收池、第一耦合器、第二耦合器、光电探测器、参考光路与解调模块；
该检测系统的工作方法为：
步骤一，改变扫描激光器输出的激光波长，生成激光信号；
步骤二，所述激光信号经过第一耦合器分成两束，其中一束光通过长程吸收池，另一束光通过参考光路，两束光在第二耦合器处发生干涉并生成干涉信号；
步骤三，通过光电探测器将所述干涉信号转换为电信号；
步骤四，解调模块对所述的电信号进行信号解调，得到干涉信号的强度与相位变化；
步骤五，根据所述干涉信号的幅值和相位变化分析气体种类与浓度。
作为本发明的进一步方案，所述扫描激光器能够实现波长扫描，波长范围大于特定气体的反常色散区，即吸收区。
作为本发明的进一步方案，长程吸收池设置有一个长程吸收池进气口与一个长程吸收池出气口，长程吸收池的工作方法为：待测气体自长程吸收池进气口充入其中，一束光从长程吸收池的一端输入，穿过待测气体后从长程吸收池的另一端输出。
作为本发明的进一步方案，所述第一耦合器与第二耦合器分别实现激光的分束与合束。
作为本发明的进一步方案，第一耦合器与第二耦合器为光纤耦合器或分束镜。
作为本发明的进一步方案，所述参考光路为石英光纤。
作为本发明的进一步方案，所述参考光路为空间光束。
作为本发明的进一步方案，所述干涉信号发生的幅值变化与气体吸收区的波带位置及气体的吸收系数有关，据此分析出气体的种类和浓度；所述干涉信号的相位变化与气体的折射率有关，据此进一步分析气体的浓度。
本发明的有益效果：
本发明在保留气体吸收光谱法探测方法的基础上，引入了干涉检测技术。基于气体的反常色散效应，气体在吸收区附近的吸收系数和折射率存在大幅度变化，据此可以用干涉信号的相位和幅值变化表征气体的种类和浓度，提高系统检测灵敏度。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
图1为本发明所述的一种基于反常色散效应的气体种类与浓度检测系统的结构图；
图2是浓度1％、1.2％、1.4％与1.6％的水汽吸收区的模拟光谱图，横坐标为波数，纵坐标为吸收系数。
图中标号：1、扫描激光器；2、第一光耦合器；3、长程吸收池；4、第二光耦合器；5、光电探测器；6、参考光路；7、长程吸收池进气口；8、长程吸收池出气口；9、解调模块。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于反常色散效应的气体种类与浓度检测系统，如图1所示，包括扫描激光器1、长程吸收池3、长程吸收池进气口7、长程吸收池出气口8、第一耦合器2、第二耦合器4、光电探测器5、参考光路6与解调模块9；控制扫描激光器1进行波长扫描，扫描激光器1发出的激光经过第一耦合器2分成两束光，一束光通过长程吸收池3，另一束光通过参考光路6，两束光在第二耦合器4中相汇并干涉，干涉信号经光电探测器5后转换为电信号，电信号进入信号解调模块9解调出信号相位和幅值变化。
实施例1
所述待测气体为水汽，设置浓度为1％、1.2％、1.4％与1.6％四组进行实验，由图2中显示不同浓度的水汽吸收峰。干涉信号的幅值与气体的吸收系数有关，反常色散区存在吸收峰且吸收系数远大于正常色散区，根据气体吸收光谱测量法，可以通过干涉信号的幅值变化确定吸收区波带位置和吸收系数变化；基于气体的反常色散效应，气体吸收区的色散率dn/dλ＞0，越靠近吸收峰，高浓度水汽折射率变化越大，干涉信号相位变化越快，系统检测灵敏度也就越高。
本发明所述的基于反常色散效应的气体种类与浓度检测系统，根据所述干涉信号的幅值和相位变化分析气体种类与浓度的具体步骤为：
光波干涉为已知原理，此处不再推导赘述，干涉信号的光强为：
其中，I1(λ)与I2是通过长程吸收池3和参考光路6两束光的强度，n(λ)和n分别为长程吸收池3和参考光路6的折射率，Ls和Lr分别为长程吸收池3和参考光路6的长度，λ为光源的波长。
光源从波长λ1扫描至λ2，气体的吸收系数发生改变，I1(λ)大小受吸收系数影响。可以根据干涉信号中
大小分析气体的吸收区波带位置及吸收系数变化，据此分析出气体的种类与浓度。
光源从波长λ1扫描至λ2，干涉信号前后相位差为：
吸收区带宽较窄，忽略波长λ变化的影响。改变气体浓度，由于反常色散效应，折射率变化大与正常色散区，光源扫描前后相位存在大幅度变化，可以根据干涉信号前后相位差进一步分析出气体的浓度。
综上所述，本发明在保留气体吸收光谱法探测方法的基础上，引入了干涉检测技术。基于气体的反常色散效应，气体在吸收区附近的的吸收系数和折射率存在大幅度变化，据此可以用干涉信号的相位和幅值变化表征气体的种类和浓度，提高系统检测灵敏度。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于反常色散效应的气体种类与浓度检测系统，其特征在于，包括扫描激光器(1)、长程吸收池(3)、第一耦合器(2)、第二耦合器(4)、光电探测器(5)、参考光路(6)与解调模块(9)；
该检测系统的工作方法为：
步骤一，改变扫描激光器(1)输出的激光波长，生成激光信号；
步骤二，所述激光信号经过第一耦合器(2)分成两束，其中一束光通过长程吸收池(3)，另一束光通过参考光路(6)，两束光在第二耦合器(4)处发生干涉并生成干涉信号；
步骤三，通过光电探测器(5)将所述干涉信号转换为电信号；
步骤四，解调模块(9)对所述的电信号进行信号解调，得到干涉信号的强度与相位变化；
步骤五，根据所述干涉信号的幅值和相位变化分析气体种类与浓度。
2.根据权利要求1所述的一种基于反常色散效应的气体种类与浓度检测系统，其特征在于，所述扫描激光器(1)能够实现波长扫描，波长范围大于特定气体的反常色散区，即吸收区。
3.根据权利要求1所述的一种基于反常色散效应的气体种类与浓度检测系统，其特征在于，长程吸收池(3)设置有一个长程吸收池进气口(7)与一个长程吸收池出气口(8)，长程吸收池(3)的工作方法为：待测气体自长程吸收池进气口(7)充入其中，一束光从长程吸收池(3)的一端输入，穿过待测气体后从长程吸收池(3)的另一端输出。
4.根据权利要求1所述的一种基于反常色散效应的气体种类与浓度检测系统，其特征在于，所述第一耦合器(2)与第二耦合器(4)分别实现激光的分束与合束。
5.根据权利要求4所述的一种基于反常色散效应的气体种类与浓度检测系统，其特征在于，第一耦合器(2)与第二耦合器(4)为光纤耦合器或分束镜。
6.根据权利要求1所述的一种基于反常色散效应的气体种类与浓度检测系统，其特征在于，所述参考光路(6)为石英光纤。
7.根据权利要求1所述的一种基于反常色散效应的气体种类与浓度检测系统，其特征在于，所述参考光路(6)为空间光束。
8.根据权利要求1所述的一种基于反常色散效应的气体种类与浓度检测系统，其特征在于，所述干涉信号发生的幅值变化与气体吸收区的波带位置及气体的吸收系数有关，据此分析出气体的种类和浓度；所述干涉信号的相位变化与气体的折射率有关，据此进一步分析气体的浓度。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112147098B (zh) | 2024-01-16 |
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