CN112903628B - 一种负压状态下痕量气体检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负压状态下痕量气体检测方法，包括激光控制中心、光开关、激光校准中心、中央数据处理及控制中心和光衰荡腔，所述激光控制中心与光开关之间并联可调谐激光器A和可调谐激光器B，所述光开关与光衰荡腔之间连接有光分束器、光隔离器和光线准直器，所述光衰荡腔内部设置有高反镜A和高反镜B，所述光衰荡腔上端两侧分别连通有压力控制中心和真空泵，所述压力控制中心连接有贮气罐，所述真空泵连通有反应塔。本发明检测方法基于负压状态，利用双激光测同一种待测气体，可测得浓度可相互校验，具有准确性高、误差小、灵敏度高、响应速度快稳定性强等优点，检测时利用激光信号分束可进行波长自校准，实用性强。

Description

一种负压状态下痕量气体检测方法

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，具体为一种负压状态下痕量气体检测方法。

背景技术

光腔衰荡光谱法是一种超高灵敏度的光学检测技术，其在高纯气体中杂质气体的在线监测着广泛的应用，吸收光谱是用来确定物质中的特定成分，并在许多情况下，对其进行量化的分析工具。一束具有连续输出的光通过一种物质，当光辐射能量刚好满足分子振动能级跃迁所需的能量时，光束中的某些成分便会有所减弱，测量经过物质吸收的光束，吸收强度随频率或波长变化，产生吸收光谱。分子吸收谱线具有高度的特异性，可以用来识别任何能够使光通过的介质中的分子含量。

分子特征吸收谱线也依赖于气体的物理条件，如测试环境的温度和压力，通常且况下高纯气体中含有许多不同种类的杂质气体分子，虽然分子吸收谱线具有高度的特异性，但背景气体以及不同杂质分子的部分特征吸收谱线有时会发生交叉或者重叠，该情况下会干扰光腔衰荡光谱法监测高纯气体中杂质气体含量的准确性。在温度一定的条件下，通过控制气体测试的环境压力，一般控制在负压状态，可以有效地降低或者排除这一干扰，从而提高光腔衰荡光谱法测试的准确性，目前的高纯气体中杂质气体检测方法不仅不能自行校准精度差，而且存在灵敏度低、响应速度慢、稳定性差、不能在线检测等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种负压状态下痕量气体检测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种负压状态下痕量气体检测方法，气体检测装置包括激光控制中心、光开关、激光校准中心、中央数据处理及控制中心和光衰荡腔，所述检测装置由激光控制中心、光开关、激光校准中心、中央数据处理及控制中心和光衰荡腔构成，所述激光控制中心与光开关之间并联可调谐激光器A和可调谐激光器B，所述光开关与光衰荡腔之间连接有光分束器、光隔离器和光线准直器；

所述光衰荡腔内部设置有高反镜A和高反镜B，所述光衰荡腔上端两侧分别连通有压力控制中心和真空泵，所述压力控制中心连接有贮气罐，所述真空泵连通有反应塔，所述光衰荡腔连接有光电探测器。

优选的，所述中央数据处理及控制中心分别与激光控制中心、光分束器、光电探测器、压力控制中心和真空泵相连接；

所述中央数据处理及控制中心与光分束器连接线路之间设置有激光校准中心。

优选的，所述可调谐激光器A与可调谐激光器B与光开关、光开关与光分束器、光分束器与光隔离器、光隔离器和光线准直器之间连接均采用保偏光纤。

优选的，所述高反镜A与高反镜B呈对称分布，且高反镜A与高反镜B反射方向相反。

优选的，所述光线准直器由光纤和准直透镜组成，所述准直透镜可为C-lens透镜、自聚焦透镜或球透镜系统，所述球透镜系统主要有棱镜、正透镜和负透镜组成。

优选的，检测步骤如下：

S1：向光衰荡腔内通入待测气体；

S2：通过压力控制中心与真空泵，控制光衰荡腔内部处于负压状态；

S3：激光控制中心控制可调谐激光器A和可调谐激光器B发出的激光信号波长λ1、λ2，波长λ1、λ2为待测气体不同特征吸收峰所对应波长；

S4：中央数据处理及控制中心通过调控光开关，使波长λ1、λ2的激光信号其中之一通过，并经光分束器分为能量比为99:1的两束激光信号；

S5：99％能量的激光信号经保偏光纤传输到光隔离器，99％能量的激光信号通过光隔离器后经光线准直器准直后耦合到光衰荡腔中并与其共振；

S6：1％能量的激光信号经保偏光纤传输到待测气体特征吸收谱线校准系统中，光电转换器实时捕捉待测气体特征吸收谱线校准系统中的校准信息并传输到中央数据处理及控制中心，中央数据处理及控制中心根据得到的校准信息控制激光控制中心调整发出的激光信号波长，进行自校准；

S7：光电探测器实时捕捉从光衰荡腔中透射出来的激光信号，实时监测激光信号的能量在光衰荡腔中变化情况，并将监测到的信息经光电转换后传输到中央数据处理及控制中心，得到激光信号的衰荡时间τ；

S8：测得衰荡时间后，根据朗伯比尔定律可以计算出待测气体的浓度为

其中N1、N2为待测气体浓度，τ为有待测气体吸收时测得的衰荡时间，τ0为无待测气体吸收时测得的衰荡时间，c为光速，σ(λ1)、σ(λ2)分别为待测气体的不同特征吸收峰对应的吸收截面；

S9：根据S8计算得到的N1、N2两个浓度值为同一种待测气体的浓度，其之间可进行相互校验。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的检测方法基于负压状态，利用双激光测同一种待测气体，可测得浓度可相互校验，具有准确性高、误差小、灵敏度高、响应速度快稳定性强等优点，检测时利用激光信号分束可进行波长自校准，实用性强。

附图说明

图1为本发明的检测装置结构示意图。

图中：1、激光控制中心；2、可调谐激光器A；3、保偏光纤；4、光开关、5、光分束器；6、光隔离器；7、光线准直器；8、高反镜A；9、高反镜B；10、光电探测器；11、光衰荡腔；12、中央数据处理及控制中心；13、激光校准中心；16、可调谐激光器B；17、压力控制中心；18、贮气罐；19、反应塔；20、真空泵。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明提供的两种实施例：

实施例一：

一种负压状态下痕量气体检测方法，其中气体检测装置包括激光控制中心1、光开关4、激光校准中心13、中央数据处理及控制中心12和光衰荡腔11，检测装置由激光控制中心1、光开关4、激光校准中心13、中央数据处理及控制中心12和光衰荡腔11构成，激光控制中心1与光开关4之间并联可调谐激光器A2和可调谐激光器B16，光开关4与光衰荡腔11之间连接有光分束器5、光隔离器6和光线准直器7；

光衰荡腔11内部设置有高反镜A8和高反镜B9，光衰荡腔11上端两侧分别连通有压力控制中心17和真空泵20，压力控制中心17连接有贮气罐18，真空泵20连通有反应塔19，光衰荡腔11连接有光电探测器10。

中央数据处理及控制中心12分别与激光控制中心1、光分束器5、光电探测器10、压力控制中心17和真空泵20相连接；

中央数据处理及控制中心12与光分束器5连接线路之间设置有激光校准中心13。

可调谐激光器A2与可调谐激光器B16与光开关4、光开关4与光分束器5、光分束器5与光隔离器6、光隔离器6和光线准直器7之间连接均采用保偏光纤3，保偏光纤3设置为了保证激光信号偏振方向不变，提高相干信噪比，以提高精度，光开关4用于对光传输线路进行线路切换。

高反镜A8与高反镜B9呈对称分布，且高反镜A8与高反镜B9反射方向相反。

光线准直器7由光纤和准直透镜组成，准直透镜可为C-lens透镜、自聚焦透镜或球透镜系统，球透镜系统主要有棱镜、正透镜和负透镜组成。

实施例二：

检测步骤如下：

向光衰荡腔11内通入待测气体；

通过压力控制中心17与真空泵20，控制光衰荡腔11内部处于负压状态；

激光控制中心1控制可调谐激光器A2和可调谐激光器B16发出的激光信号波长λ1、λ2，波长λ1、λ2为待测气体不同特征吸收峰所对应波长；

S4：中央数据处理及控制中心12通过调控光开关4，使波长λ1、λ2的激光信号其中之一通过，并经光分束器5分为能量比为99:1的两束激光信号；

99％能量的激光信号经保偏光纤3传输到光隔离器6，99％能量的激光信号通过光隔离器6后经光线准直器7准直后耦合到光衰荡腔11中并与其共振；

1％能量的激光信号经保偏光纤3传输到待测气体特征吸收谱线校准系统中，光电转换器实时捕捉待测气体特征吸收谱线校准系统中的校准信息并传输到中央数据处理及控制中心12，中央数据处理及控制中心12根据得到的校准信息控制激光控制中心1调整发出的激光信号波长，进行自校准；

光电探测器10实时捕捉从光衰荡腔11中透射出来的激光信号，实时监测激光信号的能量在光衰荡腔11中变化情况，并将监测到的信息经光电转换后传输到中央数据处理及控制中心12，得到激光信号的衰荡时间τ；

测得衰荡时间后，根据朗伯比尔定律可以计算出待测气体的浓度为

其中N1、N2为待测气体浓度，τ为有待测气体吸收时测得的衰荡时间，τ0为无待测气体吸收时测得的衰荡时间，c为光速，σ(λ1)、σ(λ2)分别为待测气体的不同特征吸收峰对应的吸收截面；

根据计算得到的N1、N2两个浓度值为同一种待测气体的浓度，其之间可进行相互校验。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (1)

1.一种负压状态下痕量气体检测方法，气体检测装置包括激光控制中心(1)、光开关(4)、激光校准中心(13)、中央数据处理及控制中心(12)和光衰荡腔(11)，其特征在于：所述检测装置由激光控制中心(1)、光开关(4)、激光校准中心(13)、中央数据处理及控制中心(12)和光衰荡腔(11)构成，所述中央数据处理及控制中心(12)分别与激光控制中心(1)、光分束器(5)、光电探测器(10)、压力控制中心(17)和真空泵(20)相连接，所述中央数据处理及控制中心(12)与光分束器(5)连接线路之间设置有激光校准中心(13)，所述激光控制中心(1)与光开关(4)之间并联可调谐激光器A(2)和可调谐激光器B(16)，所述可调谐激光器A(2)与可调谐激光器B(16)与光开关(4)、光开关(4)与光分束器(5)、光分束器(5)与光隔离器(6)、光隔离器(6)和光线准直器(7)之间连接均采用保偏光纤(3)，所述光开关(4)与光衰荡腔(11)之间连接有光分束器(5)、光隔离器(6)和光线准直器(7)，所述光线准直器(7)由光纤和准直透镜组成，所述准直透镜可为C-lens透镜、自聚焦透镜或球透镜系统，所述球透镜系统主要有棱镜、正透镜和负透镜组成；

所述光衰荡腔(11)内部设置有高反镜A(8)和高反镜B(9)，所述高反镜A(8)与高反镜B(9)呈对称分布，且高反镜A(8)与高反镜B(9)反射方向相反，所述光衰荡腔(11)上端两侧分别连通有压力控制中心(17)和真空泵(20)，所述压力控制中心(17)连接有贮气罐(18)，所述真空泵(20)连通有反应塔(19)，所述光衰荡腔(11)连接有光电探测器(10)；

检测步骤如下：

S1：向光衰荡腔(11)内通入待测气体；

S2：通过压力控制中心(17)与真空泵(20)，控制光衰荡腔(11)内部处于负压状态；

S3：激光控制中心(1)控制可调谐激光器A(2)和可调谐激光器B(16)发出的激光信号波长λ1、λ2，波长λ1、λ2为待测气体不同特征吸收峰所对应波长；

S4：中央数据处理及控制中心(12)通过调控光开关(4)，使波长λ1、λ2的激光信号其中之一通过，并经光分束器(5)分为能量比为99:1的两束激光信号；

S5：99％能量的激光信号经保偏光纤(3)传输到光隔离器(6)，99％能量的激光信号通过光隔离器(6)后经光线准直器(7)准直后耦合到光衰荡腔(11)中并与其共振；

S6：1％能量的激光信号经保偏光纤(3)传输到待测气体特征吸收谱线校准系统中，光电转换器实时捕捉待测气体特征吸收谱线校准系统中的校准信息并传输到中央数据处理及控制中心(12)，中央数据处理及控制中心(12)根据得到的校准信息控制激光控制中心(1)调整发出的激光信号波长，进行自校准；

S7：光电探测器(10)实时捕捉从光衰荡腔(11)中透射出来的激光信号，实时监测激光信号的能量在光衰荡腔(11)中变化情况，并将监测到的信息经光电转换后传输到中央数据处理及控制中心(12)，得到激光信号的衰荡时间τ；

S8：测得衰荡时间后，根据朗伯比尔定律可以计算出待测气体的浓度为

其中N1、N2为待测气体浓度，τ为有待测气体吸收时测得的衰荡时间，τ0为无待测气体吸收时测得的衰荡时间，c为光速，σ(λ1)、σ(λ2)分别为待测气体的不同特征吸收峰对应的吸收截面；

S9：根据S8计算得到的N1、N2两个浓度值为同一种待测气体的浓度，其之间可进行相互校验。