CN113552092A - 一种光学谐振腔气体检测系统及其检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种光学谐振腔气体检测系统及其检测方法，包括激光器、谐振腔红外探测器、第一光纤分束器、第二光纤分束器、中空光纤、进气端转换气室和出气端转换气室，激光器发射端与第一光纤分束器入射端连接，第一光纤分束器出射端与第二光纤分束器入射端连接，第二光纤分束器出射端与进气端转换气室连接，中空光纤两端分别连接在进气端转换气室和出气端转换气室上，出气端转换气室与第二光纤分束器入射端连接，第二光纤分束器的出射端与谐振腔红外探测器连接。本发明稳定可靠、灵敏度高、反应时间快，可应用于低痕量气体组分的检测，结合测量和控制激光波长，样品压力和温度，应用本发明的仪器设备可达到ppbv至pptv的灵敏度测量。

Description

一种光学谐振腔气体检测系统及其检测方法
技术领域
本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种光学谐振腔气体检测系统及其检测方法。
背景技术
光腔衰荡光谱法（CRDS）是一种新型的气体检测方法。它从原理上不需要标准气体标定，是一种高灵敏度，可测量痕量样品或者微弱转换的大量样品的一种激光吸收光谱法。目前，CRDS已有应用在镜面反射率测量、痕量气体成分检测、气溶胶消光系数测量等方面。光腔衰荡吸收光谱的气体检测方法具有以下缺点或不足：
1）、光腔衰荡吸收光谱中谐振腔非常重要，制作难度较高
光腔衰荡吸收光谱，一般采用两个高反射率的反射镜构建一个谐振腔池。激光脉冲被引入由两个高反射镜包围的谐振腔中。反射的激光在谐振腔中振荡，每次反射都会损耗少量的光。放置在第二面镜子后的探测器测量反射光的减弱强度。谐振腔中被测气体无法吸收时信号衰减较慢；谐振腔中有气体吸收时，信号衰减较快。通过计算信号衰减的曲线，计算谐振腔中被测气体的浓度。
CRDS检测技术的关键是光学谐振腔，谐振腔的关键是其中的两个高反射镜片，反射镜片反射率越高，衰荡时间越长，设备灵敏度相应就越高。一般要求镜片的反射率>99.9%。而受制造工艺及材料的限制，现阶段反射率超高的镜片制作难度大、成本高，因而CRDS光谱检测方法一直未被广泛推广。
2）、现有光腔衰荡光谱吸收法，光源长期存在漂移，无法保证测量精度
CRDS光谱吸收法依赖气体对激光的吸收，一般情况下使用半导体可调谐激光器。半导体可调谐激光器，其输出激光中心波长随环境温度及注入电流变化，一般情况下，温度每变化1℃，中心波长偏移0.1nm，注入电流每变化1mA,中心波长变化0.01nm。激光器受制造工艺及器件本身特性影响，在使用过程中其中心波长会缓慢长期的发生变化，如无有效手段对其吸收波长进行修正，会因为激光器中心波长的漂移造成测量不准确甚至无法测量。
目前还有采用中空光纤技术的光谱检测方法，该检测方法具有以下缺点或不足：
1）、反应时间长
目前有文献结合中空光纤进行气体组分光谱分析，利用中空光纤既能导通激光又能导通气体的特点，对气体组分进行检测，但由于中空光纤芯径非常小，只有100nm左右，利用这么小的芯径导通气体，进行气体置换效率非常低下，使得整个系统反应时间较长，无法发挥光学光谱检测高效快速的优点。
2）、中空光纤技术结合中空光纤设计谐振腔，灵敏度较差
有文献采用分束器结合中空光纤实现光腔衰荡，但并未设计合理调整结构调整谐振腔腔长（即光的通路长度）。本发明通过设计微调机构调整谐振腔腔长，使得激光达到谐振状态，继而提高整个系统检测灵敏度。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种稳定可靠、灵敏度高、快速反应的光学谐振腔气体检测系统及其检测方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种光学谐振腔气体检测系统，包括激光器、谐振腔红外探测器、第一光纤分束器、第二光纤分束器、中空光纤、进气端转换气室和出气端转换气室，激光器的发射端与第一光纤分束器的入射端连接，第一光纤分束器的出射端通过第一入射光纤与第二光纤分束器的入射端连接，第二光纤分束器的出射端通过第一出射光纤与进气端转换气室连接，中空光纤两端分别连接在进气端转换气室和出气端转换气室上，出气端转换气室通过第二入射光纤与第二光纤分束器的入射端连接，第二光纤分束器的出射端通过第二出射光纤与谐振腔红外探测器连接。
还包括主控制单元和光纤长度微调装置，光纤长度微调装置为圆柱状的卷筒，卷筒内部设有温度电阻和电加热棒，中空光纤缠绕在卷筒外圆上，温度电阻、电加热棒、激光器和谐振腔红外探测器分别通过控制线路与主控制单元连接。
还包括参考气体吸收池，参考气体吸收池两端分别设有参考气室光电探测器和参考气室准直器，参考气室光电探测器通过参考数据线与主控制单元连接，参考气室准直器通过参考光纤与第一光纤分束器的出射端连接。
进气端转换气室和出气端转换气室的结构相同且左右对称布置，进气端转换气室位于出气端转换气室的左侧，进气端转换气室包括传感器接口件，传感器接口件上端通过准直器转接件设有转换准直器，传感器接口件下端部设有与中空光纤连接的接口，传感器接口件左侧设有第一连接口，传感器接口件右侧设有第二连接口，进气端转换气室左侧的第一连接口为进气口，出气端转换气室右侧的第二连接口为出气口。
左侧的进气端转换气室的第一连接口与右侧的出气端转换气室的第一连接口通过导通气管连接，导通气管上设有气路电磁阀。
一种光学谐振腔气体检测系统的检测方法，包括以下步骤：
（1）通入被测气体对进气端转换气室和出气端转换气室内的气体进行置换；
（2）确定激光器中心波长；
（3）启动激光器、通入被测气体对气体进行测试，在测试过程中调整光纤长度微调装置确定最佳谐振温度；
（4）被测气体浓度的确定。
步骤（1）的具体过程为：打开气路电磁阀，被测气体依次通过进气口、进气端转换气室、导通气管、气路电磁阀、出气端转换气室，最后从出气口排空；在进气端转换气室内气体充分置换后，气路电磁阀关闭，被测气体依次通过进气口、进气端转换气室、中空光纤、出气端转换气室，通过出气口最终排空。
激光器采用半导体可调谐激光器，激光器输出激光中心波长随环境温度及注入电流变化，一般情况下，温度每变化1℃，中心波长偏移0.1nm，注入电流每变化1mA，中心波长变化0.01nm；激光器受制造工艺及器件本身特性影响，在使用过程中激光器中心波长会缓慢长期的发生变化，如无有效手段对其吸收波长进行修正，会因为激光器中心波长的漂移造成测量不准确甚至无法测量；
步骤（2）的具体过程为：第一光纤分束器分出部分光能量，通过参考光纤和参考气室准直器导入参考气体吸收池，经过被测气体吸收后，通过光电探测器转换为电信号，输入主控制单元后被处理；主控制单元获得的参考气室的光电探测器的电信号，结合可调谐半导体激光器吸收光谱（TDALS）技术，利用被测气体中某一种组分气体的吸收峰与被测气体的吸收峰相对恒定的原理，进而实时跟踪并修正激光器波长的变化使得激光器中心波长一直处于气体吸收峰的特定位置。
步骤（3）的具体过程为：主控制单元控制激光器发出一定波长的激光，经第一光纤分束器后其中95%以上光能量传送给第二光纤分束器；第二光纤分束器分光比例为99:1，其发出两束光，第一出射光包含99%的光能量，第二出射光包含1%的光能量，第一出射光进入进气端转换气室经过转换准直器准直后进入中空光纤，在通过圆形绕向的中空光纤后通过进入到出气端转换气室，被出气端转换气室内的转换准直器的准直后耦合到第二入射光纤中，第二入射光与第一入射光一起再次进入第二光纤分束器2，并且再一次进入中空光纤中；
在被测气体通入过程中主控制单元控制激光器一直发光，并通过电加热棒与温度电阻调整卷筒的温度，卷筒外圆受热膨胀或受冷缩小，进而调整中空光纤的长度，其中谐振中空光纤中光程与辅助光纤、结构件中光路长度达到激光波长整数倍时，入射光与出射光达到谐振状态，此时谐振腔红外探测器处接收到的光电信号最强。
主控制单元调整光纤长度微调装置的温度，从低到高依次扫描，记录下谐振腔红外探测器处接收到的光电信号最强时确定此温度为最佳谐振温度。
步骤（4）的具体过程为：待红外探测器处的光电信号强度达到最强后关掉激光器，并记录谐振腔红外探测器处的光电信号直至信号归零；通过记录此过程的衰荡曲线，将其通过算法拟合后反衍被测气体浓度。
采用上述技术方案，本发明结合现有TDLAS技术、光腔衰荡技术、利用中空光纤设计了一种新型的光腔衰荡气体检测方法。具有稳定可靠（利用TDLAS原理及参考气室修正激光器波长）、高灵敏度（微调中空光纤长度使其达到共振态，使得衰荡曲线更长）、快速反应（设计旁路气路加快管路气体置换时间）的特点。
更稳定可靠的原因：本发明在系统中设置一个参考气室旁路，参考气体吸收池中充满适量的被测气体，结合可调谐半导体激光器吸收光谱（TDALS）技术,可实时跟踪并修正激光器波长的变化，使得激光器中心波长一直处于气体吸收峰的特定位置。这样可解决长期使用情况下激光器中心波长的漂移，使得测量结果更稳定可靠。
高灵敏度的原因：本发明设计了一个光纤长度微调装置，通过加热缠绕中空光纤的卷筒机械结构，利用热胀冷缩原理，通过电加热棒控制饶子的温度，温度电阻监测温度值，中空光纤温度随卷筒的温度变化，卷筒温度变化产生的形变量会对缠绕在其上的光纤产生拉伸左右，继而对中空光纤长度进行微调。微调中空光纤长度使其达到共振态，共振态光强达到最强，使得衰荡曲线更长，继而使得设备达到更好的灵敏度。
快速反应的原因：受限于中空光纤芯径，利用中空光纤进行气体检测的光谱检测系统，其气体置换速度都较慢，本发明设计了气路旁路吹扫结构（导通气管），可加快气体的置换速度，因为中空光纤的孔径非常细，在光程较长的情况下其气阻较大，如无导通气管及气路电磁阀在初期对气体进行旁路吹扫，进气端转换气室中的气室死角及转换气室前管路中的气体都只能通过中空光纤排除，置换时间较长。使用导通气管后可加快前期对无用气体置换速度，提升系统的反应时间。开始测量后，只需要将中空光纤中气体置换完即可进行被测气体的测量，这极大加快了系统的测量速度。
综上所述，本发明稳定可靠、灵敏度高、反应时间快，可应用于低痕量气体组分的检测，结合测量和控制激光波长，样品压力和温度，应用本发明的仪器设备可达到ppbv至pptv的灵敏度测量。可广泛应用于电力、化工、食品安全等领域。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是图1中光纤长度微调装置的横断面示意图；
图3是图1中进气端转换气室的内部结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本发明的一种光学谐振腔气体检测系统，包括激光器1、谐振腔红外探测器2、第一光纤分束器3、第二光纤分束器4、中空光纤5、进气端转换气室6和出气端转换气室7，激光器1的发射端与第一光纤分束器3的入射端连接，第一光纤分束器3的出射端通过第一入射光纤8与第二光纤分束器4的入射端连接，第二光纤分束器4的出射端通过第一出射光纤9与进气端转换气室6连接，中空光纤5两端分别连接在进气端转换气室6和出气端转换气室7上，出气端转换气室7通过第二入射光纤10与第二光纤分束器4的入射端连接，第二光纤分束器4的出射端通过第二出射光纤11与谐振腔红外探测器2连接。
还包括主控制单元12和光纤长度微调装置13，光纤长度微调装置13为圆柱状的卷筒14，卷筒14内部设有温度电阻15和电加热棒16，中空光纤5缠绕在卷筒14外圆上，温度电阻15、电加热棒16、激光器1和谐振腔红外探测器2分别通过控制线路与主控制单元12连接。
还包括参考气体吸收池17，参考气体吸收池17两端分别设有参考气室光电探测器18和参考气室准直器19，参考气室光电探测器18通过参考数据线与主控制单元12连接，参考气室准直器19通过参考光纤与第一光纤分束器3的出射端连接。
进气端转换气室6和出气端转换气室7的结构相同且左右对称布置，进气端转换气室6位于出气端转换气室7的左侧，进气端转换气室6包括传感器接口件20，传感器接口件20上端通过准直器转接件21设有转换准直器22，传感器接口件20下端部设有与中空光纤5连接的接口，传感器接口件20左侧设有第一连接口23，传感器接口件20右侧设有第二连接口24，进气端转换气室6左侧的第一连接口23为进气口，出气端转换气室7右侧的第二连接口为出气口。
左侧的进气端转换气室6的第一连接口23与右侧的出气端转换气室7的第一连接口23通过导通气管25连接，导通气管25上设有气路电磁阀26。
一种光学谐振腔气体检测系统的检测方法，包括以下步骤：
（1）通入被测气体对进气端转换气室6和出气端转换气室7内的气体进行置换；
（2）确定激光器1中心波长；
（3）启动激光器1、通入被测气体对气体进行测试，在测试过程中调整光纤长度微调装置13确定最佳谐振温度；
（4）被测气体浓度的确定。
步骤（1）的具体过程为：打开气路电磁阀26，被测气体依次通过进气口、进气端转换气室6、导通气管25、气路电磁阀26、出气端转换气室7，最后从出气口排空；在进气端转换气室6内气体充分置换后，气路电磁阀26关闭，被测气体依次通过进气口、进气端转换气室6、中空光纤5、出气端转换气室7，通过出气口最终排空。
激光器1采用半导体可调谐激光器1，激光器1输出激光中心波长随环境温度及注入电流变化，一般情况下，温度每变化1℃，中心波长偏移0.1nm，注入电流每变化1mA，中心波长变化0.01nm；激光器1受制造工艺及器件本身特性影响，在使用过程中激光器1中心波长会缓慢长期的发生变化，如无有效手段对其吸收波长进行修正，会因为激光器1中心波长的漂移造成测量不准确甚至无法测量；
步骤（2）的具体过程为：第一光纤分束器3分出部分光能量，通过参考光纤和参考气室准直器19导入参考气体吸收池17，经过被测气体吸收后，通过光电探测器转换为电信号，输入主控制单元12后被处理；主控制单元12获得的参考气室的光电探测器的电信号，结合可调谐半导体激光器1吸收光谱（TDALS）技术，利用被测气体中某一种组分气体的吸收峰与被测气体的吸收峰相对恒定的原理，进而实时跟踪并修正激光器1波长的变化，使得激光器1中心波长一直处于被测气体吸收峰的特定位置。
步骤（3）的具体过程为：主控制单元12控制激光器1发出一定波长的激光，经第一光纤分束器3后其中95%以上光能量传送给第二光纤分束器4；第二光纤分束器4分光比例为99:1，其发出两束光，第一出射光包含99%的光能量，第二出射光包含1%的光能量，第一出射光进入进气端转换气室6经过转换准直器22准直后进入中空光纤5，在通过圆形绕向的中空光纤5后通过进入到出气端转换气室7，被出气端转换气室7内的转换准直器22的准直后耦合到第二入射光纤10中，第二入射光与第一入射光一起再次进入第二光纤分束器42，并且再一次进入中空光纤5中；
在被测气体通入过程中主控制单元12控制激光器1一直发光，并通过电加热棒16与温度电阻15调整卷筒14的温度，卷筒14外圆受热膨胀或受冷缩小，进而调整中空光纤5的长度，其中谐振中空光纤5中光程与辅助光纤、结构件中光路长度达到激光波长整数倍时，入射光与出射光达到谐振状态，此时谐振腔红外探测器2处接收到的光电信号最强。
主控制单元12调整光纤长度微调装置13的温度，从低到高依次扫描，记录下谐振腔红外探测器2处接收到的光电信号最强时确定此温度为最佳谐振温度。
步骤（4）的具体过程为：待红外探测器2处的光电信号强度达到最强后关掉激光器1，并记录谐振腔红外探测器2处的光电信号直至信号归零；通过记录此过程的衰荡曲线，将其通过算法拟合后反衍被测气体浓度。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种光学谐振腔气体检测系统，其特征在于：包括激光器、谐振腔红外探测器、第一光纤分束器、第二光纤分束器、中空光纤、进气端转换气室和出气端转换气室，激光器的发射端与第一光纤分束器的入射端连接，第一光纤分束器的出射端通过第一入射光纤与第二光纤分束器的入射端连接，第二光纤分束器的出射端通过第一出射光纤与进气端转换气室连接，中空光纤两端分别连接在进气端转换气室和出气端转换气室上，出气端转换气室通过第二入射光纤与第二光纤分束器的入射端连接，第二光纤分束器的出射端通过第二出射光纤与谐振腔红外探测器连接。
2.根据权利要求1所述的一种光学谐振腔气体检测系统，其特征在于：还包括主控制单元和光纤长度微调装置，光纤长度微调装置为圆柱状的卷筒，卷筒内部设有温度电阻和电加热棒，中空光纤缠绕在卷筒外圆上，温度电阻、电加热棒、激光器和谐振腔红外探测器分别通过控制线路与主控制单元连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种光学谐振腔气体检测系统及其检测方法，其特征在于：还包括参考气体吸收池，参考气体吸收池两端分别设有参考气室光电探测器和参考气室准直器，参考气室光电探测器通过参考数据线与主控制单元连接，参考气室准直器通过参考光纤与第一光纤分束器的出射端连接。
4.根据权利要求3所述的一种光学谐振腔气体检测系统，其特征在于：进气端转换气室和出气端转换气室的结构相同且左右对称布置，进气端转换气室位于出气端转换气室的左侧，进气端转换气室包括传感器接口件，传感器接口件上端通过准直器转接件设有转换准直器，传感器接口件下端部设有与中空光纤连接的接口，传感器接口件左侧设有第一连接口，传感器接口件右侧设有第二连接口，进气端转换气室左侧的第一连接口为进气口，出气端转换气室右侧的第二连接口为出气口。
5.根据权利要求4所述的一种光学谐振腔气体检测系统其特征在于：左侧的进气端转换气室的第一连接口与右侧的出气端转换气室的第一连接口通过导通气管连接，导通气管上设有气路电磁阀。
6.采用如权利要求5所述的一种光学谐振腔气体检测系统的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）通入被测气体对进气端转换气室和出气端转换气室内的气体进行置换；
（2）确定激光器中心波长；
（3）启动激光器、通入被测气体对气体进行测试，在测试过程中调整光纤长度微调装置确定最佳谐振温度；
（4）被测气体浓度的确定。
7.根据权利要求6所述的一种光学谐振腔气体检测系统的检测方法，其特征在于：步骤（1）的具体过程为：打开气路电磁阀，被测气体依次通过进气口、进气端转换气室、导通气管、气路电磁阀、出气端转换气室，最后从出气口排空；在进气端转换气室内气体充分置换后，气路电磁阀关闭，被测气体依次通过进气口、进气端转换气室、中空光纤、出气端转换气室，通过出气口最终排空。
8.根据权利要求7所述的一种光学谐振腔气体检测系统的检测方法，其特征在于：激光器采用半导体可调谐激光器，激光器输出激光中心波长随环境温度及注入电流变化，一般情况下，温度每变化1℃，中心波长偏移0.1nm，注入电流每变化1mA，中心波长变化0.01nm；激光器受制造工艺及器件本身特性影响，在使用过程中激光器中心波长会缓慢长期的发生变化，如无有效手段对其吸收波长进行修正，会因为激光器中心波长的漂移造成测量不准确甚至无法测量；
步骤（2）的具体过程为：第一光纤分束器分出部分光能量，通过参考光纤和参考气室准直器导入参考气体吸收池，经过被测气体吸收后，通过光电探测器转换为电信号，输入主控制单元后被处理；主控制单元获得的参考气室的光电探测器的电信号，结合可调谐半导体激光器吸收光谱（TDALS）技术，利用被测气体中某一种组分气体的吸收峰与被测气体的吸收峰相对恒定的原理，进而实时跟踪并修正激光器波长的变化使得激光器中心波长一直处于气体吸收峰的特定位置。
9.根据权利要求8所述的一种光学谐振腔气体检测系统的检测方法，其特征在于：步骤（3）的具体过程为：主控制单元控制激光器发出一定波长的激光，经第一光纤分束器后其中95%以上光能量传送给第二光纤分束器；第二光纤分束器分光比例为99:1，其发出两束光，第一出射光包含99%的光能量，第二出射光包含1%的光能量，第一出射光进入进气端转换气室经过转换准直器准直后进入中空光纤，在通过圆形绕向的中空光纤后通过进入到出气端转换气室，被出气端转换气室内的转换准直器的准直后耦合到第二入射光纤中，第二入射光与第一入射光一起再次进入第二光纤分束器2，并且再一次进入中空光纤中；
在被测气体通入过程中主控制单元控制激光器一直发光，并通过电加热棒与温度电阻调整卷筒的温度，卷筒外圆受热膨胀或受冷缩小，进而调整中空光纤的长度，其中谐振中空光纤中光程与辅助光纤、结构件中光路长度达到激光波长整数倍时，入射光与出射光达到谐振状态，此时谐振腔红外探测器处接收到的光电信号最强；
主控制单元调整光纤长度微调装置的温度，从低到高依次扫描，记录下谐振腔红外探测器处接收到的光电信号最强时确定此温度为最佳谐振温度。
10.根据权利要求9所述的一种光学谐振腔气体检测系统的检测方法，其特征在于：步骤（4）的具体过程为：待红外探测器处的光电信号强度达到最强后关掉激光器，并记录谐振腔红外探测器处的光电信号直至信号归零；通过记录此过程的衰荡曲线，将其通过算法拟合后反衍被测气体浓度。
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