CN113176220B - 气体检测仪及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体检测仪及其检测方法，气体检测仪包括：第一光束输出模块、第一光束接收模块、第二光束输出模块、第二光束接收模块以及蝶形衰荡腔；第一光束输出模块，用于输出对应待测气体的非吸收波长的光束；第二光束输出模块，用于输出对应待测气体的吸收峰波长的光束；蝶形衰荡腔的内部设置有第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜，用于将非吸收波长的光束透过以输出至第一光束接收模块，以及将吸收峰波长的光束透过以输出至第二光束接收模块。本方案可以提高气体浓度检测的准确性。

Description

气体检测仪及其检测方法

技术领域

本发明涉及光学仪器技术领域，尤其涉及一种气体检测仪及其检测方法。

背景技术

气体检测仪是用来对气体浓度进行测量的仪器。现有的气体检测仪在对气体浓度进行检测前，需要采用零气或标准气体对气体检测仪进行定标，然后利用定标后的气体检测仪检测气体浓度。现有的气体检测仪在气体浓度检测时准确性较低。

鉴于此，针对以上不足，需要提供一种新的气体检测仪来解决上述不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于如何提高气体浓度检测的准确性，针对现有技术中的缺陷，提供了一种气体检测仪及其检测方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种气体检测仪，包括：第一光束输出模块、第一光束接收模块、第二光束输出模块、第二光束接收模块以及蝶形衰荡腔；

所述第一光束输出模块，用于输出对应待测气体的非吸收波长的光束；

所述第二光束输出模块，用于输出对应所述待测气体的吸收峰波长的光束；

所述蝶形衰荡腔的内部设置有第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜，用于将所述非吸收波长的光束透过以输出至所述第一光束接收模块，以及将所述吸收峰波长的光束透过以输出至所述第二光束接收模块。

优选地，所述第一光束输出模块与所述第二光束输出模块为相同的激光器；

所述激光器在温度的控制下可输出处于设定波长范围内不同波长的光束。

优选地，所述设定波长范围中最大波长与最小波长之间的差值不大于2nm。

优选地，

所述第一光束输出模块用于将所述非吸收波长的光束输出至所述第一腔镜；

所述第二光束输出模块用于将所述吸收峰波长的光束输出至所述第三腔镜；

所述第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜倾斜设置在所述蝶形衰荡腔的内部，且所述第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜依次连接可形成一个四边形，用于将所述非吸收波长的光束反射至所述第一腔镜，且所述非吸收波长的光束反射至所述第一腔镜时的方向与由所述第一光束输出模块输出至所述第一腔镜的方向夹角不等于180度；以及用于将所述吸收峰波长的光束反射至所述第三腔镜，且所述吸收峰波长的光束反射至所述第三腔镜时的方向与由所述第二光束输出模块输出至所述第三腔镜的方向夹角不等于180度。

优选地，

所述第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜在将所述非吸收波长的光束反射至所述第一腔镜时形成的光路顺序为：所述第一腔镜、所述第二腔镜、所述第四腔镜、所述第三腔镜至所述第一腔镜；

所述第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜在将所述吸收峰波长的光束反射至所述第三腔镜时形成的光路顺序为：所述第三腔镜、所述第四腔镜、所述第二腔镜、所述第一腔镜至所述第三腔镜。

优选地，

所述第二腔镜在将所述吸收峰波长的光束反射至所述第一腔镜时，所述吸收峰波长的光束可透过所述第一腔镜垂直射入到所述第一光束输出模块中；

所述第四腔镜在将所述非吸收波长的光束反射至所述第三腔镜时，所述非吸收波长的光束可透过所述第三腔镜垂直射入到所述第二光束输出模块中。

优选地，所述第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜为相同的平凹反射镜；

所述第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜的凹面均朝向所述蝶形衰荡腔内部；且凹面上均镀有高反膜，该高反膜对所述非吸收波长的光束和所述吸收峰波长的光束的反射率均不小于设定反射值。

优选地，所述四边形为长方形。

优选地，位于所述长方形的较短边长上的两个腔镜之间的距离不大于设定距离；

位于所述长方形的较长边长上的两个腔镜之间的距离与所述位于所述长方形的较短边长上的两个腔镜之间的距离，满足ABCD矩阵理论。

本发明实施例还提供了一种基于上述任一所述气体检测仪检测气体浓度的方法，包括：

向所述气体检测仪的蝶形衰荡腔中输入待测气体之后，开启第一光束输出模块和第二光束输出模块；

在第一光束接收模块接收到的光束的光强达到第一设定阈值时关闭所述第一光束输出模块，以及在第二光束接收模块接收到的光束的光强达到第二设定阈值时关闭所述第一光束输出模块；

获取所述第一光束接收模块接收到的光束的光强从第一设定阈值衰减到所述第一设定阈值的1/e时所需的第一时长，以及获取所述第二光束接收模块接收到的光束的光强从所述第二设定阈值衰减到所述第二设定阈值的1/e时所需的第二时长；

根据所述第一时长和所述第二时长，计算待测气体的浓度。

本发明实施例所提供的一种气体检测仪及其检测方法，该气体检测仪包括两个光束输出模块，一个光束输出模块输出对应待测气体的非吸收波长的光束，另一个光束输出模块输出对应待测气体的吸收峰波长的光束，蝶形衰荡腔中内部通过设置四个腔镜，可以将两种波长的光束分别输出至对应的光束接收模块。可见，由于待测气体对非吸收波长的光束不吸收，因此，可以将利用非吸收波长的光束测量得到的衰荡时间作为空腔衰荡时间，将吸收峰波长的光束测量得到的衰荡时间作为待测气体的衰荡时间，由于该两个光束输出模块可以同时输出光束，从而可以同时获得空腔衰荡时间和待测气体的衰荡时间，以计算得到待测气体的浓度，提高了气体浓度检测的准确性。

附图说明

图1是本发明实施例所提供的一种气体检测仪的结构示意图；

图2是本发明实施例所提供的另一种气体检测仪的结构示意图；

图3是本发明实施例所提供的一种气体浓度检测方法的流程图；

图4是本发明实施例所提供的一种激光器输出激光光束的示意图；

图5是本发明实施例所提供的另一种激光器输出激光光束的示意图；

图6是本发明实施例所提供的一种光电探测器所检测激光光强的示意图；

图7是本发明实施例所提供的另一种光电探测器所检测激光光强的示意图；

附图标记如下：

1-第一激光器；2-第一光束整形模块；3-第一腔镜；4-第二腔镜；5-第一透镜；6-第一光电探测器；7-第二光电探测器；8-第二透镜；9-第四腔镜；10-第三腔镜；11-第二光束整形模块；12-第二激光器；13/20-甲型套筒；14/16-三通气路接口；15-蝶形衰荡腔；17-调整镜架；18/19-乙型套筒；21-第一光束输出模块；22-第一光束接收模块；23-第二光束输出模块；24-第二光束接收模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。

如前，在相关技术中，气体检测仪在对气体浓度进行检测前，需要先向气体检测仪的衰荡腔内通入零气或标准气体，测量得到空腔衰荡时间后，才能向气体检测仪的衰荡腔内通入待测气体，以测量得到待测气体的衰荡时间，然后利用测量得到的空腔衰荡时间和待测气体的衰荡时间，来计算待测气体的浓度。但是，两个衰荡时间不是同时测量得到的，因此，会存在误差，影响测量结果的准确性，使得在气体浓度检测时准确性较低。

基于上述问题，如果能够同时测量得到上述两个衰荡时间，则可以降低对测量结果的影响，进而提高气体浓度检测时的准确性。考虑到通入的零气或标准气体对气体检测仪向衰荡腔内输入光束的波长不吸收，从而测量得到的空腔衰荡时间，以及通入的待测气体对气体检测仪向衰荡腔内输入光束的波长吸收，从而测量得到的待测气体的衰荡时间。那么，可以向衰荡腔内同时输入两种波长的光束，一种波长为待测气体的非吸收波长，另一种波长为待测气体的吸收峰波长，如此，可以同时得到两个衰荡时间，且非吸收波长对应的衰荡时间用来表示空腔衰荡时间，吸收波长对应的衰荡时间即为待测气体的衰荡时间，从而解决了上述问题。

下面描述本方案的具体构思。

如图1所示，本发明实施例提供的一种气体检测仪，包括：第一光束输出模块21、第一光束接收模块22、第二光束输出模块23、第二光束接收模块24以及蝶形衰荡腔15；

第一光束输出模块21，用于输出对应待测气体的非吸收波长的光束；

第二光束输出模块23，用于输出对应待测气体的吸收峰波长的光束；

蝶形衰荡腔15的内部设置有第一腔镜3、第二腔镜4、第三腔镜10和第四腔镜9，用于将非吸收波长的光束透过以输出至第一光束接收模块22，以及将吸收峰波长的光束透过以输出至第二光束接收模块24。

本发明实施例中，该气体检测仪包括两个光束输出模块，一个光束输出模块输出对应待测气体的非吸收波长的光束，另一个光束输出模块输出对应待测气体的吸收峰波长的光束，蝶形衰荡腔中内部通过设置四个腔镜，可以将两种波长的光束分别输出至对应的光束接收模块。可见，由于待测气体对非吸收波长的光束不吸收，因此，可以将利用非吸收波长的光束测量得到的衰荡时间作为空腔衰荡时间，将吸收峰波长的光束测量得到的衰荡时间作为待测气体的衰荡时间，由于该两个光束输出模块可以同时输出光束，从而可以同时获得空腔衰荡时间和待测气体的衰荡时间，以计算得到待测气体的浓度，提高了气体浓度检测的准确性。

在本发明一个实施例中，由于待测气体的非吸收波长和吸收峰波长之间的差值较小，因此，该第一光束输出模块21与第二光束输出模块23为相同的激光器；其中，激光器在温度的控制下可输出处于设定波长范围内不同波长的光束。

比如，该激光器为分布式反馈激光器( Distributed Feedback Laser，DFB)，其中心波长为1654nm，通过对该激光器进行温度控制，该激光器可以输出在中心波长附近范围内波长的光束。

本发明实施例的气体检测仪通过使用相同的激光器，不仅易于安装，还可以降低气体检测仪的成本。另外，由于两边的光学器件为对称的，从而可以缩小气体检测仪的体积。

本发明一个实施例中，设定波长范围中最大波长与最小波长之间的差值不大于2nm。

需要说明的是，待测气体的非吸收波长和吸收峰波长为公开的参数，可以通过查表的方式来获取到。

基于衰荡腔技术的气体检测仪，在检测过程中衰荡腔内会发生光反馈效应，即光束被腔镜反射后垂直射入光束输出模块中，从而给光束输出模块造成干扰，导致检测结果的准确性较低。

为了降低光反馈效应造成的干扰，提高检测结果的准确性，请参考图1，本发明一个实施例中，第一光束输出模块21用于将非吸收波长的光束输出至第一腔镜3；

第二光束输出模块23用于将吸收峰波长的光束输出至第三腔镜10；

第一腔镜3、第二腔镜4、第三腔镜10和第四腔镜9倾斜设置在蝶形衰荡腔15的内部，且第一腔镜3、第二腔镜4、第三腔镜10和第四腔镜9依次连接可形成一个四边形，用于将非吸收波长的光束反射至第一腔镜3，且非吸收波长的光束反射至第一腔镜3时的方向与由第一光束输出模块21输出至第一腔镜3的方向夹角不等于180度；以及用于将吸收峰波长的光束反射至第三腔镜10，且吸收峰波长的光束反射至第三腔镜10时的方向与由第二光束输出模块23输出至第三腔镜10的方向夹角不等于180度。

本发明实施例中，通过在蝶形衰荡腔的内部设置倾斜的第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜，该第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜依次连接可形成一个四边形，用于将非吸收波长的光束反射至第一腔镜，且非吸收波长的光束反射至第一腔镜时的方向与由第一光束输出模块输出至第一腔镜的方向夹角不等于180度，从而可以使得反射回的非吸收波长的光束不会垂直射入到第一光束输出模块或不会射入到第一光束输出模块中，从可以降低光反馈效应对第一光束输出模块的干扰；同理，可以降低光反馈效应对第二光束输出模块的干扰。

在本发明一个实施例中，为了实现将非吸收波长的光束反射至第一腔镜3时的方向与将非吸收波长的光束由第一光束输出模块21输出至第一腔镜3的方向夹角不等于180度的目的（记为第一目的），以及实现将吸收峰波长的光束反射至第三腔镜10时的方向与由第二光束输出模块23输出至第三腔镜10的方向夹角不等于180度的目的（记为第二目的），该第一腔镜3、第二腔镜4、第三腔镜10和第四腔镜9的设置位置以及设置角度，可以同时满足如下两个条件：

条件1：该第一腔镜3、第二腔镜4、第三腔镜10和第四腔镜9在将非吸收波长的光束反射至第一腔镜3时形成的光路顺序可以为：第一腔镜3、第二腔镜4、第四腔镜9、第三腔镜10至第一腔镜3；该光路顺序请参考图1中蝶形衰荡腔15内实线部分的箭头方向；

条件2：该第一腔镜3、第二腔镜4、第三腔镜10和第四腔镜9在将吸收峰波长的光束反射至第三腔镜10时形成的光路顺序可以为：第三腔镜10、第四腔镜9、第二腔镜4、第一腔镜3至第三腔镜10；该光路顺序请参考图1中蝶形衰荡腔15内虚线部分的箭头方向。

可见，两种波长的光束在蝶形衰荡腔内部反射形成的光路顺序均为蝶形，在将四个腔镜在蝶形衰荡腔内部设置完成后，可以准确获知光束在蝶形衰荡腔内反射时的光路顺序，从而可以降低由于无法准确获知光束在蝶形衰荡腔内的光路而存在光束对气体浓度检测过程所造成的干扰。

本发明实施例中四个腔镜的设置位置和设置角度除通过满足上述条件1和条件2来同时实现第一目的和第二目的之外，还可以使用其他设置方式来实现，以非吸收波长的光束的反射光路为例，吸收峰波长的光束反射光路与非吸收波长的光束反射光路同理。比如，非吸收波长的光束反射至第一腔镜3时形成的光路顺序为：第一腔镜3、第二腔镜4、第三腔镜10至第一腔镜3，或者，第一腔镜3、第二腔镜4至第一腔镜3，再或者，第一腔镜3、第二腔镜4、第四腔镜9至第一腔镜3。

在本发明一个实施例中，该第一腔镜3、第二腔镜4、第三腔镜10和第四腔镜9的设置位置以及设置角度，在满足上述条件1和条件2的基础上，还可以同时满足如下两个条件：

条件3：第二腔镜4在将吸收峰波长的光束反射至第一腔镜3时，吸收峰波长的光束可透过第一腔镜3垂直射入到第一光束输出模块21中；

条件4：第四腔镜9在将非吸收波长的光束反射至第三腔镜10时，非吸收波长的光束可透过第三腔镜10垂直射入到第二光束输出模块23中。

由于第一光束输出模块21输出的光束为非吸收波长，与吸收峰波长不同，且光束经过多次反射之后光强变低，因此，吸收峰波长的光束在垂直射入到第一光束输出模块21中时，不会对第一光束输出模块造成干扰。同理，非吸收波长的光束在垂直射入第二光束输出模块23中时，也不会对第二输出模块造成干扰。

第一光束输出模块21、第一腔镜3、第二腔镜4和第一光束接收模块22是在同一条直线上的，那么在满足上述条件3时可以存在：第一腔镜3能够将由第三腔镜10反射来的非吸收波长的光束反射至第二腔镜4，且第一腔镜3将非吸收波长的光束反射至第二腔镜4的光路与由第一光束输出模块输出的非吸收波长的光束透过第一腔镜3到达第二腔镜4的光路相同，非吸收波长的光束在蝶形衰荡腔内的反射光路是一个闭环，且是同一条光路，从而可以进一步降低光反馈效应造成的影响。

同理，第二光束输出模块23、第三腔镜10、第四腔镜9和第二光束接收模块24是在同一条直线上的，那么在满足上述条件4时可以存在：第三腔镜10能够将由第一腔镜3反射来的吸收峰波长的光束反射至第四腔镜9，且第三腔镜10将吸收峰波长的光束反射至第四腔镜12的光路与由第二光束输出模块输出的吸收峰波长的光束透过第三腔镜10到达第四腔镜9的光路相同，吸收峰波长的光束在蝶形衰荡腔内的反射光路是一个闭环，且是同一条光路，从而可以进一步降低光反馈效应造成的影响。

在本发明一个实施例中，为了保证光束在蝶形衰荡腔内部进行反射，该第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜可以为相同的平凹反射镜；即一面为平面，另一面为凹面；

且第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜的凹面均朝向蝶形衰荡腔15内部；且凹面上均镀有高反膜，该高反膜对非吸收波长的光束和吸收峰波长的光束的反射率均不小于设定反射值。

其中，该设定反射值可以为0.9999，以保证任意一个腔镜都能够对这两种波长的光束实现高反射。

优选地，平面可以镀有增透膜。

本发明一个实施例中，第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜可以是完全相同的腔镜，也可以是不相同的腔镜，比如曲率半径、尺寸等不同。不管四个腔镜是否相同，在对四个腔镜进行设置时，需要满足本实施例的条件，且需要根据ABCD矩阵理论（光学系统中的激光原理光学谐振腔理论）进行设计。

优选地，四个腔镜依次连接所形成的四边形可以为长方形，如此，可以保证在安装时使得气体检测仪的体积最小。

在本发明一个实施例中，在四个腔镜依次连接形成长方形时，其边长的限定至少可以包括：

位于长方形的较短边长上的两个腔镜之间的距离不大于设定距离；

位于长方形的较长边长上的两个腔镜之间的距离与位于长方形的较短边长上的两个腔镜之间的距离，满足ABCD矩阵理论。

比如图1中位于长方形较短边长上的第一腔镜3和第四腔镜9，其距离越小越好，距离越小形成的气体检测仪的体积越小，但该距离需要保证第一腔镜3和第四腔镜9在使用进行微调时，两个腔镜之间不会受到阻挡干扰，因此，该设定距离需要根据腔镜型号尺寸等来确定。

在确定了较短边长之后，可以依据ABCD矩阵理论来计算位于长方形较长边长上两个腔镜之间的距离，其中，较短边长与较长边长满足ABCD矩阵理论。

由于在使用气体检测仪进行气体浓度的检测时，需要将待测气体通入到蝶形衰荡腔内，因此，在蝶形衰荡腔上还需要包括两个通气孔，一个用来向蝶形衰荡腔内通入气体，另一个将蝶形衰荡腔内的气体排出，以保证衰荡腔内外压强相同。

在本发明一个实施例中，该通气孔可以通过三通气路接口来实现，请参考图2，其中一个三通气路接口14用于向蝶形衰荡腔内部输入气体，另一个三通气路接口16用于将蝶形衰荡腔内部的气体输出到蝶形衰荡腔的外部；

三通气路接口为“Y”字形结构，三通气路接口的其中两个通气孔伸入到蝶形衰荡腔内，第三个通气孔位于蝶形衰荡腔外部。

进一步地，两个三通气路接口位于蝶形衰荡腔的两端，且伸入到蝶形衰荡腔内的两个通气孔的距离可以尽量拉大，比如，两个三通气路接口上伸入到蝶形衰荡腔内的四个通气孔分别位于蝶形衰荡腔的四个角上，从而可以使得通入的气体在蝶形衰荡腔内分布更加均匀，提高测量结果的准确性。

在本发明一个实施例中，请参考图1，该第一光束输出模块可以包括第一激光器1和第一光束整形模块2；和/或，该第二光束输出模块可以包括第二激光器12和第二光束整形模块11。两个光束整形模块均用于对相应激光器输出的激光光束进行准直，以及与蝶形衰荡腔进行模式匹配，来实现激光光束与蝶形衰荡腔的最佳耦合。

第一光束接收模块、第二光束接收模块均可以包括用于聚焦的透镜和光电探测器，其中透镜用来将光束聚焦到光电探测器的像面上，即透镜与光电探测器像面之间的距离等于该透镜的焦距，从而保证光电探测器能够探测当光束的最佳光强。

下面以待测气体为甲烷（非吸收波长为1653.20nm、吸收峰波长为1653.72nm）为例，结合图1和图2对本发明实施例的气体检测仪的优选结构进行说明。

气体检测仪包括第一激光器1、第一光束整形模块2、第二激光器12、第二光束整形模块11、一个由第一腔镜3、第二腔镜4、第四腔镜9和第三腔镜10组成的蝶形衰荡腔15、由第一透镜5和第一光电探测器6组成的第一光束接收模块22以及由第二透镜8和第二光电探测器7组成的第二光束接收模块24。

第一激光器1和第二激光器12采用光纤单模连续输出的DFB激光器。该激光器中心波长为1654nm，在温度的控制下可输出处于1653-1655nm波长的光束。

第一激光器1输出的激光光束经过第一光束整形模块2准直整形后，与蝶形衰荡腔15进行模式匹配，实现激光光束与蝶形衰荡腔的最佳耦合。第一光束整形模块2可以由三片透镜组成，透镜表面镀有包含1654nm在内波段的增透膜，基片材质为熔石英或K9玻璃。第一激光器1与第一光束整形模块2采用甲型套筒13螺纹连接。甲型套筒13、甲型套筒20、乙型套筒18以及乙型套筒19的材料选用铝2A12，内外表面进行发黑处理，抑制镜面反射。

第二激光器12输出激光光束经过第二光束整形模块11准直整形后，与蝶形衰荡腔15进行模式匹配，实现激光光束与蝶形衰荡腔的最佳耦合。第二光束整形模块11可以由三片透镜组成，透镜表面镀有包含1654nm在内波段的增透膜，基片材质为熔石英或K9玻璃。第二激光器12与第二光束整形模块11采用甲型套筒20螺纹连接。

蝶形衰荡腔15是一种环形光学谐振腔，由四片腔镜（第一腔镜3、第二腔镜4、第三腔镜11、第四腔镜12）组成，材质采用不锈钢或者微晶玻璃。在四片腔镜完全相同时，四片腔镜可以为平凹反射镜，凹面镀有高反膜，在1654nm波长附近的的反射率优于0.9999，平面镀有增透膜，通过不锈钢材质的调整镜架17固定在蝶形衰荡腔15中，凹面朝向蝶形衰荡腔的内部。

对于第一激光器1发出的激光，蝶形衰荡腔15中的光路顺序为：第一腔镜3、第二腔镜4、第四腔镜9、第三腔镜10至第一腔镜3，形成一个闭环。

对于第二激光器12发出的激光，蝶形衰荡腔15中的光路顺序为：第三腔镜10、第四腔镜9、第二腔镜4、第一腔镜3至第三腔镜10，形成一个与前者光路相反的闭环。

第一透镜5和第二透镜8为短焦平凸透镜，可选用同一款，材质为K9玻璃，表面镀MgF₂增透膜。

第一光电探测器6和第二光电探测器7为增益可调的高灵敏度探测器，可选同一款。

第一透镜5的平面朝向第二腔镜4，凸面朝向第一光电探测器6，第一透镜5平面到第一光电探测器6像面的距离为第一透镜5的焦距。第一透镜5与第一光电探测器6采用乙型套筒18螺纹连接，第二透镜8与第二光电探测器7采用乙型套筒19螺纹连接。

在蝶形衰荡腔15上，安装有用于进气的三通气路接口14和用于排气的三通气路接口16。三通气路接口14和三通气路接口16的材质为尼龙塑料，外径尺寸可为4mm。三通气路接口14和三通气路接口16与进气/排气管的连接方式为快插方式，与蝶形衰荡腔15连接方式采用法兰固定。

请参考图3，本发明实施例还提供了一种基于上述实施例任一气体检测仪检测气体浓度的方法，包括：

步骤301：向气体检测仪的蝶形衰荡腔中输入待测气体之后，开启第一光束输出模块和第二光束输出模块。

步骤302：在第一光束接收模块接收到的光束的光强达到第一设定阈值时关闭第一光束输出模块，以及在第二光束接收模块接收到的光束的光强达到第二设定阈值时关闭第一光束输出模块。

步骤303：获取第一光束接收模块接收到的光束的光强从第一设定阈值衰减到第一设定阈值的1/e时所需的第一时长，以及获取第二光束接收模块接收到的光束的光强从第二设定阈值衰减到第二设定阈值的1/e时所需的第二时长。

本步骤中，可以使第一光束接收模块接收到的光束的光强从第一设定阈值衰减时的时刻，与第二光束接收模块接收到的光束的光强从第二设定阈值衰减时的时刻为相同时刻，从而可以进一步提高检测结果的准确性。

步骤304：根据第一时长和第二时长，计算待测气体的浓度。

下面以上述气体检测仪的优选结构为例，对本发明实施例中气体检测方法进行进一步说明。

第一步：开启气体检测仪电源

第一激光器1、第二激光器12、第一光电探测器6、第二光电探测器7等有源器件上电，通过调节输入电流大小，调节第一光电探测器6和第二光电探测器7上增益值，比如设定为20dB。此时，暂不开启第一激光器1和第二激光器12的激光输出开关。

第二步：通入待测气体

从三通气路接口14的进气接口通入待测气体，即待测的环境大气。通过质量流量计控制气体流速为0.5L/min，从三通气路接口16的排气接口通过气体检测仪的排风系统对排出气体进行处理，无害情况下在远端释放于空气中。由于环境大气本身无害，所以在远端释放于空气中即可。此通气过程需等待时间约为30s，待测气体即可在衰荡腔中均匀分布。

第三步：开启激光器

开启第一激光器1和第二激光器12，利用激光器的控制器进行温控调节，使第一激光器1的输出激光波长为1653.20nm（此波长甲烷吸收系数极低），第二激光器2的输出激光波长为1653.72nm（甲烷的吸收峰）。通过数据处理显控装置，可以看到第一光电探测器6和第二光电探测器7接收到的分别从第二腔镜4和第四腔镜9透射出的激光光强迅速上升。

第一激光器1、第二激光器12输出的激光光束分别参考图4、图5；第一光电探测器6、第二光电探测器7分别检测到的激光光强请分别参考图6、图7。

第四步：关断激光器

在t₀₁时刻，从第二腔镜4透射的激光光强达到第一光电探测器6的第一设定阈值，通过反馈控制使第一激光器1的驱动电流关断，从而停止了激光光束的输出；同一时刻t₀₁时刻，从第四腔镜9透射的激光光强达到光探测器8的第二设定阈值，反馈控制第二激光器12的驱动电流关断，停止激光光束的输出。从t₀₁时刻，第一光电探测器6和第二光电探测器7接收到的光束的光强均由最大值（第一光电探测器6从第一设定阈值，第二光电探测器7从第二设定阈值）开始衰减，光强分别衰减为各自接收到的最大值的1/e时为t₁₁时刻和t₂₁时刻。

第五步：重复测量

多次测量模式下，当第一光电探测器6和第二光电探测器7中接收到的透射光强均为零时，在反馈控制作用下自动开启第一激光器1和第二激光器12。重复进行第三步和第四步，获得多组t₀₁、t₁₁和t₂₁时刻。

第六步：计算衰荡时间

单次测量模式下，空腔衰荡时间分别为（t₁₁- t₀₁），待测气体的衰荡时间表示为（t₁₂- t₀₂）；多次测量模式下，空腔和待测气体的衰荡时间分别为多组（t₁₁- t₀₁）和（t₁₂-t₀₂）的平均值。

第七步：计算大气环境中的甲烷浓度

大气环境中的甲烷浓度Conc表示为

Conc= c^-1·[(t₁₁- t₀₂)^-1-(t₁₁- t₀₁)^-1]·σ(λ₁)^-1

其中，c为光速，σ(λ₁)为待测气体在吸收波长λ₁处的吸收截面（为已知参数，可通过查表获得）。

可以理解的是，本发明实施例示意的结构并不构成对气体检测仪的具体限定。在本发明的另一些实施例中，气体检测仪可以包括比图示更多或者更少的部件，或者组合某些部件，或者拆分某些部件，或者不同的部件布置。图示的部件可以以硬件、软件或者软件和硬件的组合来实现。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个······”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质中。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种气体检测仪，其特征在于，包括：第一光束输出模块、第一光束接收模块、第二光束输出模块、第二光束接收模块以及蝶形衰荡腔；

所述第一光束输出模块，用于输出对应待测气体的非吸收波长的光束至第一腔镜；

所述第二光束输出模块，用于输出对应所述待测气体的吸收峰波长的光束至第三腔镜；

所述蝶形衰荡腔的内部设置有所述第一腔镜、第二腔镜、所述第三腔镜和第四腔镜，且所述第一腔镜、所述第二腔镜、所述第三腔镜和所述第四腔镜依次连接可形成一个四边形，用于将所述非吸收波长的光束透过以输出至所述第一光束接收模块，以及将所述吸收峰波长的光束透过以输出至所述第二光束接收模块；

所述第一光束输出模块、所述第一腔镜、所述第二腔镜和所述第一光束接收模块位于同一条直线上；

所述第二光束输出模块、所述第三腔镜、所述第四腔镜和所述第二光束输出模块位于同一条直线上；所述第一光束输出模块和所述第二光束输出模块为对角设置；所述第一光束接收模块和所述第二光束接收模块为对角设置；

所述第一腔镜、所述第二腔镜、所述第三腔镜和所述第四腔镜，还用于通过如下光路顺序将所述非吸收波长的光束反射至所述第一腔镜：所述第一腔镜、所述第二腔镜、所述第四腔镜、所述第三腔镜至所述第一腔镜；

所述第一腔镜、所述第二腔镜、所述第三腔镜和所述第四腔镜，还用于通过如下光路顺序将所述吸收峰波长的光束反射至所述第三腔镜：所述第三腔镜、所述第四腔镜、所述第二腔镜、所述第一腔镜至所述第三腔镜；

所述非吸收波长的光束反射至所述第一腔镜时的方向与由所述第一光束输出模块输出至所述第一腔镜的方向夹角不等于180度；以及所述吸收峰波长的光束反射至所述第三腔镜时的方向与由所述第二光束输出模块输出至所述第三腔镜的方向夹角不等于180度；

所述第二腔镜在将所述吸收峰波长的光束反射至所述第一腔镜时，所述吸收峰波长的光束可透过所述第一腔镜垂直射入到所述第一光束输出模块中；

所述第四腔镜在将所述非吸收波长的光束反射至所述第三腔镜时，所述非吸收波长的光束可透过所述第三腔镜垂直射入到所述第二光束输出模块中。

2.根据权利要求1所述的气体检测仪，其特征在于，所述第一光束输出模块与所述第二光束输出模块为相同的激光器；

所述激光器在温度的控制下可输出处于设定波长范围内不同波长的光束。

3.根据权利要求2所述的气体检测仪，其特征在于，所述设定波长范围中最大波长与最小波长之间的差值不大于2nm。

4.根据权利要求1所述的气体检测仪，其特征在于，所述第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜为相同的平凹反射镜；

所述第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜和第四腔镜的凹面均朝向所述蝶形衰荡腔内部；且凹面上均镀有高反膜，该高反膜对所述非吸收波长的光束和所述吸收峰波长的光束的反射率均不小于设定反射值。

5.根据权利要求1所述的气体检测仪，其特征在于，所述四边形为长方形。

6.根据权利要求5所述的气体检测仪，其特征在于，位于所述长方形的较短边长上的两个腔镜之间的距离不大于设定距离；

位于所述长方形的较长边长上的两个腔镜之间的距离与所述位于所述长方形的较短边长上的两个腔镜之间的距离，满足ABCD矩阵理论。

7.一种基于权利要求1-6中任一所述气体检测仪检测气体浓度的方法，其特征在于，包括：

向所述气体检测仪的蝶形衰荡腔中输入待测气体之后，开启第一光束输出模块和第二光束输出模块；

在第一光束接收模块接收到的光束的光强达到第一设定阈值时关闭所述第一光束输出模块，以及在第二光束接收模块接收到的光束的光强达到第二设定阈值时关闭所述第一光束输出模块；

获取所述第一光束接收模块接收到的光束的光强从第一设定阈值衰减到所述第一设定阈值的1/e时所需的第一时长，以及获取所述第二光束接收模块接收到的光束的光强从所述第二设定阈值衰减到所述第二设定阈值的1/e时所需的第二时长；

根据所述第一时长和所述第二时长，计算待测气体的浓度。

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