CN114166766B - 一种基于振幅调制腔增强吸收光谱技术的气体测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于振幅调制腔增强吸收光谱技术的气体测量方法，测量得到背景气的光衰荡时间和光解调后振幅，将背景气的光衰荡时间和光解调后振幅作为一个常数，和样气的光解调后振幅一起进行计算，计算样气中待测成分的浓度，循环将背景气和样气通入光学谐振腔中，循环测量背景气的光衰荡时间和光解调后振幅以及样气的光解调后振幅，从而实时测量样气中待测成分的浓度；采用基于腔增强吸收光谱技术所发展的振幅调制腔增强吸收光谱技术，探测精度高，适用于浓度小于1ppbv的检测场景；将腔衰荡吸收光谱技术耦合到振幅调制腔增强吸收光谱技术中，实现系统反射率自校准，无需校准仪器参数；自动切换背景气和样气，满足长时间无人值守环境探测要求。
Description
技术领域
本发明涉及气体测量技术领域，尤其是一种基于振幅调制腔增强吸收光谱技术的气体测量方法。
背景技术
目前大气污染物的种类很多，根据其存在的状态，可以概括为气态污染物和气溶胶状态污染物。气态污染物的种类多，主要分为5个方面：以SO2为主的含硫化合物、以NO和NO2为主的含氮化合物、碳氢化合物、碳的氧化物和卤素化合物等。以二氧化氮为例，二氧化氮主要来源于生物质和化石燃料燃烧、交通运输排放、工业生产等过程，是对流层大气中重要的污染物，也是形成臭氧、酸沉降和二次颗粒过程中最重要的分子之一，因此确定大气中二氧化氮浓度变化对大气化学研究和改善人类生存环境具有重要意义。
过去的几十年里，发展了很多技术用于气体测量，以测量气体中待测成分的浓度，常见的方法包括化学发光法、激光诱导荧光法和基于高精细谐振腔吸收光谱技术等。
化学发光法是一种间接测量气体的技术，以测量二氧化氮为例，在测量过程中，需要先将二氧化氮转换成一氧化氮，再测量一氧化氮和臭氧反应时的发光强度，来确定二氧化氮的浓度；二氧化氮浓度受转换效率、其他含氮物质的干扰，测量误差较大，探测极限在1ppbv量级，响应时间慢，一般在分钟量级。
激光诱导荧光法通过测量气体从激发态向基态跃迁时，发出的荧光信号，从而实现气体浓度的直接测量；在实际测量中需要用到高功率激光器、超快响应光电倍增管和高速采集卡，价格较为昂贵，设备体积较大，探测极限在几至一百pptv量级，时间分辨为1分钟；此外为了保证长时间测量的可靠性，需要定期进行标准曲线标定，无法做到自动校准。
基于高精细谐振腔吸收光谱技术，包括腔增强吸收光谱技术、腔衰减相移吸收光谱技术和腔衰荡吸收光谱技术，利用反射率大于99.98％的高反射率透镜，可以在几十厘米基长下实现数公里的有效光程，在几十秒积分时间内，二氧化氮的探测极限为几十到几百pptv不等，不存在化学转换干扰，但是测量准确度受腔镜反射率影响较大，需要定期校准维护。
由此可见，现有的气体中待测成分浓度的测量方法存在时间响应长，价格昂贵，探测精度低，且长时间运行需要维护，无法自动校准等问题。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于振幅调制腔增强吸收光谱技术的气体测量方法，探测精度高、稳定性高。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：
一种基于振幅调制腔增强吸收光谱技术的气体测量方法，包括以下步骤：
S1，向光学谐振腔通入滤除待测成分后的样气即背景气，光源组件发射的探测光入射进所述光学谐振腔，探测光在所述光学谐振腔的两个高反射率透镜之间来回反射；所述光学谐振腔出射的光被光信号接收模块接收并转换为电信号即得到探测信号，探测信号经电信号处理模块解调后得到解调后的信号，数据采集计算模块对探测信号和解调后的信号进行采集，并根据探测信号得到背景气的光衰荡时间τ0，以及根据解调后的信号得到背景气的光解调后振幅I0；
S2，向光学谐振腔通入样气，光源组件发射的探测光入射进所述光学谐振腔，探测光在所述光学谐振腔的两个高反射率透镜之间来回反射；所述光学谐振腔出射的光被光信号接收模块接收并转换为电信号即得到探测信号，探测信号经电信号处理模块解调后得到解调后的信号，数据采集计算模块对解调后的信号进行采集，并根据解调后的信号得到样气的光解调后振幅I；
S3，根据背景气的光衰荡时间τ0和光解调后振幅I0，以及样气的光解调后振幅I；计算样气中待测成分的吸收系数αabs；
S4，利用样气中待测成分的吸收系数αabs，计算样气中待测成分的浓度n。
进一步地，步骤S3中，样气中待测成分的吸收系数αabs的计算如下所示：
其中，c为光速。
进一步地，步骤S4中，样气中待测成分的浓度n的计算如下所示：
其中，σ为待测成分的吸收截面。
进一步地，循环步骤S1～S4，循环将背景气和样气通入光学谐振腔中，循环测量背景气的光衰荡时间τ0和光解调后振幅I0，以及样气的光解调后振幅I，并计算样气中待测成分的浓度n。
进一步地，所述光源组件包括沿光传播方向依次设置的激光器、光学隔离器和小孔光阑。
进一步地，所述光学谐振腔用于盛装气体，包括PFA管；
所述PFA管的两侧端面分别设有用于密封的高反射率透镜，即第一高反射率透镜和第二高反射率透镜；所述光源组件发射的探测光经过第一高反射率透镜入射进所述光学谐振腔，所述光信号接收模块接收第二高反射率透镜出射的光；
所述PFA管202上还设有两个气孔，即进气口和出气口。
进一步地，所述光信号接收模块包括沿光传播方向依次设置的滤光片和探测器；所述滤光片用于滤除杂散光；所述探测器用于将滤光片输出的光信号转换成电流信号；
所述电信号处理模块包括处理电路和锁相放大器；所述探测器与处理电路电连接，将电流信号传输至处理电路转换为电压信号；所述处理电路与锁相放大器电连接，将电压信号传输至锁相放大器进行信号解调得到解调后的信号；
所述数据采集计算模块包括数据采集卡和计算机；所述处理电路和锁相放大器均与数据采集卡电连接，分别将电压信号和解调后的信号传输给数据采集卡；所述数据采集卡用于信号采集，并输入进所述计算机，所述计算机用于进行计算和存储。
进一步地，所述电信号处理模块中用于解调的锁相放大器与所述光源组件中用于发射探测光的激光器电连接，锁相放大器输出一个频率可调的TTL信号加载在激光器上，用于激光器的调制。
进一步地，通过气路组件向光学谐振腔通入背景气或样气；所述气路组件包括沿气体传输方向依次设置的气体过滤器、三通电磁阀、粒子过滤器、质量流量计和微型隔膜泵；
所述气体过滤器用于滤除样气中的待测成分得到背景气；所述三通电磁阀一侧输入口连接样气，另一侧输入口连接所述气体过滤器；所述三通电磁阀的常开口即输出口连接所述粒子过滤器，所述粒子过滤器用于去除气体中存在的气溶胶颗粒；所述粒子过滤器的输出口连接所述光学谐振腔的进气口，过滤后的气体依次流经所述光学谐振腔的进气口和出气口；所述光学谐振腔的出气口连接所述质量流量计的输入口，所述质量流量计用于控制出气口的流速大小；所述质量流量计的输出口与所述微型隔膜泵的输入口连接；所述微型隔膜泵作为动力源，用于所述光学谐振腔内气体的置换。
本发明的优点在于：
(1)本发明的气体测量方法，采用基于腔增强吸收光谱技术所发展的振幅调制腔增强吸收光谱技术，在探测极限上优于基于传统高精细谐振腔吸收光谱技术，且根据实施例可知，能够实现小于10pptv的二氧化氮直接检测，不存在化学转换干扰。另外，本发明的气体测量方法，巧妙地将腔衰荡吸收光谱技术耦合到振幅调制腔增强吸收光谱技术中，可以实现系统反射率自校准。
(2)本发明可以循环将背景气和样气通入光学谐振腔中，循环测量背景气的光衰荡时间和光解调后振幅，以及样气的光解调后振幅，从而实时测量样气中待测成分的浓度，且背景气和样气的切换时间，可以根据测量状态的稳定程度来调整，若测量状态稳定，则样气测量的时间可以长一些；若测量状态不稳定的话，背景气的光衰荡时间和光解调后振幅变化较大，则需要经常切换背景气，重新获得新的背景气的光衰荡时间和光解调后振幅，从而提高气体测量的准确性，实现自动校准。
(3)探测光束在光学谐振腔的两个高反射率透镜之间来回反射很多次，光束与光学谐振腔中的气体发生相互作用，光束每反射一次就会产生一次吸收，多次反射后产生更强的吸收信号，且光束每反射一次，光束就会被气体吸收一个往返长度，可以增加吸收光程。
(4)光源组件中的光学隔离器用于防止所述光学谐振腔反射回来的光束损坏激光器；光源组件中的小孔光阑用于去除激光器输出光斑中不规则的形状，从而可以形成一个均匀的圆形光斑入射进光学谐振腔。
(5)气路组件设置气体过滤器，从而可以直接滤除样气中的待测成分以快速得到背景气，并通过三通电磁阀自动切换输入光学谐振腔中的气体，自动切换背景气和样气，满足长时间无人值守环境探测要求。
(6)气路组件通过微型隔膜泵进行光学谐振腔内气体的置换，可以快速的将光学谐振腔内的气体完全置换，且根据实施例可知，气体置换时间小于1.4s，系统响应快。
(7)锁相放大器与激光器电连接，锁相放大器输出一个频率可调的TTL信号加载在所述激光器上，从而控制激光器的探测光发射。
(8)光源组件、光学谐振腔和光信号接收模块之间的光路均为自由空间光，不存在其他器件损耗，包含的所有器件均安装于笼式结构中，保证光路的同轴一致性和稳定性，工作稳定，且小巧紧凑，不存在价格昂贵的器件，性价比很高。
附图说明
图1为本发明的气体测量装置的架构图。
图2为本发明的气体测量装置的示意图。
图3为本发明的气体测量方法的流程图。
图4为实施例三的测量大气中二氧化氮的结果图。
图5为是实施例三与现有技术的腔衰荡吸收光谱技术的探测极限评估对比图。
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。
实施例一、
由图2所示，本发明的气体测量装置，包括：光源组件10、光学谐振腔20、光信号接收模块30、电信号处理模块40、数据采集计算模块50和气路组件60；
由图1所示，所述光源组件10包括激光器101、光学隔离器102和小孔光阑103；所述光源组件10作为气体测量装置的探测光源；所述光学谐振腔20包括PFA管202，所述PFA管202的两侧端面分别设有用于密封的高反射率透镜，即第一高反射率透镜2011和第二高反射率透镜2012；所述PFA管202的管壁上还设有两个气孔，即进气口2031和出气口2032；所述光学谐振腔20作为气体测量装置的气体吸收池；所述光信号接收模块30包括滤光片301和探测器302；所述光信号接收模块30作为光信号的检测器件；所述电信号处理模块40包括处理电路401和锁相放大器402；所述数据采集计算模块50包括数据采集卡501和计算机502；所述气路组件60包括气体过滤器601、三通电磁阀602、粒子过滤器603、质量流量计604和微型隔膜泵605。
其中，
所述激光器101发射的激光即探测光在自由空间中进入所述光学隔离器102，所述光学隔离器102后端放置所述小孔光阑103，用于去除所述激光器101输出光斑中不规则的形状，形成一个均匀的圆形光斑，进入所述光学谐振腔20中；所述光学隔离器102还用于防止所述光学谐振腔20反射回来的光束损坏所述激光器101。
本实施例中，所述激光器101是一个中心波长为405nm的高度集成二极管激光器，最大TTL调制频率为10MHz，下降沿小于30ns；所述光学隔离器102在405nm处的隔离效率为30dB，从而防止经过所述光学谐振腔20反射回来的光束损坏所述激光器101。
所述光源组件10出射的光束，通过第一高反射率透镜2011入射进所述光学谐振腔20的PFA管202中，光束在所述第一高反射率透镜2011和第二高反射率透镜2012之间来回反射，所述PFA管202作为气体的停留室，所述第一高反射率透镜2011和第二高反射率透镜2012用于所述PFA管202两侧的密封，所述进气口2031和出气口2032用于气体的进入和流出，进入所述PFA管202的气体与光束发生相互作用，光束每反射一次就会产生一次吸收，多次反射后产生更强的吸收信号，经气体吸收后的光信号从所述第二高反射率透镜2012出射。吸收信号即为光强的衰减量，光强的减小量，同样的介质长度，光的反射次数越多，吸收光程越长。
本实施例中，两个高反射率透镜的反射率均大于99.98％，且第一高反射率透镜2011和第二高反射率透镜2012之间距离为47.5cm；所述PFA管的外径为1/2英寸，内径即内直径为3/8英寸；两个气孔即进气口2031和出气口2032对称设置，气体流向可以互换。
所述光学谐振腔20出射的光信号，入射进所述光信号接收模块30，经过所述滤光片301滤除探测光以外的杂散光后，进入所述探测器302，将光信号转换成可以处理的电流信号。
本实施例中，所述滤光片301为中心波长405nm，带宽10nm的窄带滤光片，从而滤除探测光以外的杂散光信号；所述探测器302的探测波段为300-650nm，所述探测器302为光电倍增管，且为增益可调的电流型输出探测器。
所述光信号接收模块30与所述电信号处理模块40电连接，光信号接收模块30产生的电流信号输入至所述电信号处理模块40，所述处理电路401将探测器302输出的电流信号转换成电压信号，输入至所述锁相放大器402进行信号解调，解调是指将输入信号与参考信号进行相敏检波运算，再经过一个低通滤波器，滤除不需要的部分，这整个过程是在锁相放大器402中完成的，锁相放大器402有输入端和输出端，输入端连接处理电路401，输入为探测器302的探测信号，输出为解调后的信号，解调后的信号包括振幅和相位，其中，将振幅作为光解调后振幅；所述锁相放大器402内部自带有可以输出各种波形的功能，其中提供了输出TTL信号即方波信号和正弦信号的功能，所述锁相放大器402同时输出频率可调的TTL信号加载在所述激光器101上，当TTL信号为高电平时，所述激光器101正常出光，当TTL信号为低电平时，所述激光器101关断，通过这种快速的光源关断，实现所述激光器101的调制，且该TTL信号也是锁相放大器402解调时所需要的参考信号。
所述处理电路401输出的原始信号和所述锁相放大器402输出的解调后的信号均与所述数据采集计算模块50电连接，所述数据采集卡501用于所有信号的采集，并输入进所述计算机502，所述计算机502对所有数据进行计算，得到气体中待测成分的浓度并保存。
所述气路组件60的器件连接为，所述三通电磁阀602一侧输入口连接样气，另一侧输入口连接所述气体过滤器601；所述气体过滤器601用于滤除样气中的待测成分，得到背景气；所述三通电磁阀602用于样气和背景气的来回切换；所述三通电磁阀602的常开口即输出口连接所述粒子过滤器603，用于去除气体中存在的气溶胶颗粒；所述粒子过滤器603的输出口连接所述光学谐振腔的进气口2031，过滤后的气体依次流经所述光学谐振腔的进气口2031和出气口2032，以及质量流量计604和微型隔膜泵605；所述出气口2032的流速大小由所述质量流量计604控制；所述微型隔膜泵605作为动力源，用于所述光学谐振腔20内气体的置换，由于光学谐振腔20和样气、背景气都是一个大气压下，因此为了测量气体，需要利用微型隔膜泵605即动力源将气体抽入光学谐振腔20，利用抽气和排气的方式实现了光学谐振腔20内气体的置换，另外，初始状态下的光学谐振腔20内也会存在其他介质，容易与气体混合，利用微型隔膜泵605对光学谐振腔20进行抽气和排气，从而排出光学谐振腔20内的介质。
本实施例中，所述质量流量计604将流速设置为1.5L/min，在此流速下，所述光学谐振腔20内的气体置换所需的时间小于1.4s。
所述光源组件10、光学谐振腔20和光信号接收模块30之间的光路均为自由空间光，所有器件均安装于笼式结构中，保证光路的同轴一致性和稳定性，系统结构小巧紧凑，易于运输。
实施例二、
由图3所示，本发明的一种基于振幅调制腔增强吸收光谱技术的气体测量方法，包括以下步骤：
S1，测量背景气的光衰荡时间τ0和光解调后振幅I0：
S101，切换三通电磁阀602，将除去待测成分后的样气即背景气通入光学谐振腔20，且通过微型隔膜泵605将光学谐振腔20内的气体完全置换为背景气；
S102，光源组件10发射的探测光，通过第一高反射率透镜2011入射进所述光学谐振腔20，探测光在光学谐振腔20的两个高反射率透镜之间来回反射，且与光学谐振腔20中的背景气发生相互作用，光束每反射一次就会产生一次吸收，经气体吸收后的光从第二高反射率透镜2012出射；
S103，光学谐振腔20出射的光被光信号接收模块30接收并转换为电信号，所转换的电信号输入至电信号处理模块40，经电信号处理模块40放大解调后输出解调后的信号，数据采集计算模块50对所有信号进行采集并进行数据处理，得到背景气的光衰荡时间τ0和光解调后振幅I0。
其中，探测光入射进所述光学谐振腔20后，在两个高反射率透镜之间来回反射，每反射一次就会有一部分光被吸收，光强会逐渐衰减，由于后端的探测器302持续在探测，因此探测器302的探测信号对应的会有一个衰减曲线，该衰减曲线符合指数函数形式，将探测信号衰减至初始值的1/e所花费的时间作为光衰荡时间，即相当于将光强衰减至初始光强的1/e所花费的时间作为光衰荡时间，实验中可以直接对衰减曲线进行拟合，从而得到光衰荡时间。本实施例中，气体的测量需要连续测量一段时间，该测量过程中，针对光源组件10发射的每一个探测光，均会测量得到一个光衰荡时间，将该测量过程中得到的多个光衰荡时间取平均值，从而得到最终的气体的光衰荡时间。
光强的衰减过程为几十us量级，即光强在几十us内即可衰减为0，后端的探测器302持续在探测，将探测器302的探测信号输入到锁相放大器402中进行解调，解调是指将输入信号即探测信号与参考信号即TTL信号进行相敏检波运算，再经低通滤波滤除不需要的部分后输出解调后的信号，解调后的信号包括振幅和相位，从而得到光解调后振幅。
S2，测量样气的光解调后振幅I：
S201，切换三通电磁阀602，将含有待测成分的样气通入光学谐振腔20，且通过微型隔膜泵605将光学谐振腔20内的气体完全置换为样气；
S202，光源组件10发射的探测光，通过第一高反射率透镜2011入射进所述光学谐振腔20，探测光在光学谐振腔20的两个高反射率透镜之间来回反射，且与光学谐振腔20中的样气发生相互作用，光束每反射一次就会产生一次吸收，经气体吸收后的光从第二高反射率透镜2012出射；
S203，光学谐振腔20出射的光被光信号接收模块30接收并转换为电信号，所转换的电信号输入至电信号处理模块40，经电信号处理模块40放大解调后输出解调后的信号，数据采集计算模块50对解调后的信号进行采集并进行数据处理，得到样气的光解调后振幅I。
S3，根据步骤S1和S2的测量结果，计算样气中待测成分的吸收系数αabs：
其中，c为光速；
S4，计算样气中待测成分的浓度n：
其中，σ为待测成分的吸收截面。
吸收截面为待测成分的一个固有属性，和温度气压有关系，在测量中，当气温和气压变化不大时，可以作为一个常数使用。本实施例中，将吸收截面作为常数，但是当在不同气温气压环境下测量时，吸收截面是需要改变的。
本发明中，可以循环将背景气和样气通入光学谐振腔20中，循环测量背景气的光衰荡时间τ0和光解调后振幅I0，以及样气的光解调后振幅I，从而实时测量样气中待测成分的浓度n。
其中，背景气和样气的切换时间，并不是一个固定值，可以根据测量状态的稳定程度来调整，若测量状态稳定，背景气的光衰荡时间τ0和光解调后振幅I0变化不大，则样气测量的时间可以长一些；若测量状态不稳定的话，背景气的光衰荡时间τ0和光解调后振幅I0变化较大，则需要经常切换背景气，重新获得新的背景气的光衰荡时间τ0和光解调后振幅I0；因为在计算浓度时，背景的光衰荡时间τ0和光解调后振幅I0是作为一个常数，用于和样气的光解调后振幅I一起进行计算，计算样气中待测成分的浓度，假如实际的背景的光衰荡时间τ0和光解调后振幅I0发生改变，但没有切换背景气，更新背景气的光衰荡时间τ0和光解调后振幅I0，则会导致样气中待测成分的浓度计算存在偏差。
实施例三、
基于实施例一的气体测量装置和实施例二的气体测量方法，对大气中的二氧化氮进行测量，即将大气作为样气，待测成分为二氧化氮。
利用气体过滤器601滤除大气中的二氧化氮气体，得到背景气；切换三通电磁阀602，将背景气通入光学谐振腔20，且通过微型隔膜泵605将光学谐振腔20内的气体完全置换为背景气；光源组件10发射的探测光在光学谐振腔20的两个高反射率透镜之间来回反射，与光学谐振腔20中的背景气发生相互作用，光学谐振腔20出射的光被光信号接收模块30接收并转换为电信号，所转换的电信号输入至电信号处理模块40，经电信号处理模块40放大解调后输出解调后的信号，数据采集计算模块50对所有信号进行采集并用于测量计算，得到背景气的光衰荡时间τ0和光解调后振幅I0。
切换三通电磁阀602，将样气通入光学谐振腔20，且通过微型隔膜泵605将光学谐振腔20内的气体完全置换为样气；光源组件10发射的探测光在光学谐振腔20的两个高反射率透镜之间来回反射，与光学谐振腔20中的样气发生相互作用，光学谐振腔20出射的光被光信号接收模块30接收并转换为电信号，所转换的电信号输入至电信号处理模块40，经电信号处理模块40放大解调后输出解调后的信号，数据采集计算模块50对所有信号进行采集并用于测量计算，得到样气的光衰荡时间和光解调后振幅/>
根据测量得到的背景气的光衰荡时间τ0和光解调后振幅I0，以及样气的光解调后振幅实时获得样气中二氧化氮的吸收系数/>
其中，c为光速；
根据样气中二氧化氮的吸收系数实时获得样气中二氧化氮的浓度/>
其中，为二氧化氮的吸收截面。
本实施例中，利用气体测量装置循环通入背景气和样气，循环测量背景气和样气的光衰荡时间和光解调后振幅，从而实时测量大气中二氧化氮的浓度本实施例循环测量得到的光衰荡时间和光解调后振幅的变化曲线，以及实时测量得到的大气中二氧化氮的浓度/>的变化曲线均由图4所示。
本实施例提供的大气中二氧化氮的测量方法和测量装置，与现有技术的基于腔衰荡吸收光谱技术的测量方法和测量装置相比，探测极限评估结果由图5所示，其中，艾伦方差是光谱技术中用于评估气体灵敏度的一个通用方法，可以用来衡量装置的探测极限。在1s积分时间下，本实施例的基于振幅调制腔增强吸收光谱技术的二氧化氮浓度的探测极限为35pptv，当积分时间到达30s时，探测极限可降低至8ppt，在相同的装置上，相较于现有技术中的腔衰荡吸收光谱技术提高约5倍。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于振幅调制腔增强吸收光谱技术的气体测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，向光学谐振腔(20)通入滤除待测成分后的样气即背景气，光源组件(10)发射的探测光入射进所述光学谐振腔(20)，探测光在所述光学谐振腔(20)的两个高反射率透镜之间来回反射；所述光学谐振腔(20)出射的光被光信号接收模块(30)接收并转换为电信号即得到探测信号，探测信号经电信号处理模块(40)解调后得到解调后的信号，数据采集计算模块(50)对探测信号和解调后的信号进行采集，并根据探测信号得到背景气的光衰荡时间τ0，以及根据解调后的信号得到背景气的光解调后振幅I0；
S2，向光学谐振腔(20)通入样气，光源组件(10)发射的探测光入射进所述光学谐振腔(20)，探测光在所述光学谐振腔(20)的两个高反射率透镜之间来回反射；所述光学谐振腔(20)出射的光被光信号接收模块(30)接收并转换为电信号即得到探测信号，探测信号经电信号处理模块(40)解调后得到解调后的信号，数据采集计算模块(50)对解调后的信号进行采集，并根据解调后的信号得到样气的光解调后振幅I；
S3，根据背景气的光衰荡时间τ0和光解调后振幅I0，以及样气的光解调后振幅I；计算样气中待测成分的吸收系数αabs；
S4，利用样气中待测成分的吸收系数αabs，计算样气中待测成分的浓度n；
步骤S3中，样气中待测成分的吸收系数αabs的计算如下所示：
其中，c为光速；
步骤S4中，样气中待测成分的浓度n的计算如下所示：
其中，σ为待测成分的吸收截面。
2.根据权利要求1所述的一种基于振幅调制腔增强吸收光谱技术的气体测量方法，其特征在于，循环步骤S1～S4，循环将背景气和样气通入光学谐振腔(20)中，循环测量背景气的光衰荡时间τ0和光解调后振幅I0，以及样气的光解调后振幅I，并计算样气中待测成分的浓度n。
3.根据权利要求1所述的一种基于振幅调制腔增强吸收光谱技术的气体测量方法，其特征在于，所述光源组件(10)包括沿光传播方向依次设置的激光器(101)、光学隔离器(102)和小孔光阑(103)。
4.根据权利要求1所述的一种基于振幅调制腔增强吸收光谱技术的气体测量方法，其特征在于，所述光学谐振腔(20)用于盛装气体，包括PFA管(202)；
所述PFA管(202)的两侧端面分别设有用于密封的高反射率透镜，即第一高反射率透镜(2011)和第二高反射率透镜(2012)；所述光源组件(10)发射的探测光经过第一高反射率透镜(2011)入射进所述光学谐振腔(20)，所述光信号接收模块(30)接收后第二高反射率透镜(2012)出射的光；
所述PFA管(202)上还设有两个气孔，即进气口(2031)和出气口(2032)。
5.根据权利要求1所述的一种基于振幅调制腔增强吸收光谱技术的气体测量方法，其特征在于，所述光信号接收模块(30)包括沿光传播方向依次设置的滤光片(301)和探测器(302)；所述滤光片(301)用于滤除杂散光；所述探测器(302)用于将滤光片(301)输出的光信号转换成电流信号；
所述电信号处理模块(40)包括处理电路(401)和锁相放大器(402)；所述探测器(302)与处理电路(401)电连接，将电流信号传输至处理电路(401)转换为电压信号；所述处理电路(401)与锁相放大器(402)电连接，将电压信号传输至锁相放大器(402)进行信号解调得到解调后的信号；
所述数据采集计算模块(50)包括数据采集卡(501)和计算机(502)；所述处理电路(401)和锁相放大器(402)均与数据采集卡(501)电连接，分别将电压信号和解调后的信号传输给数据采集卡(501)；所述数据采集卡(501)用于信号采集，并输入进所述计算机(502)，所述计算机(502)用于进行计算和存储。
6.根据权利要求1所述的一种基于振幅调制腔增强吸收光谱技术的气体测量方法，其特征在于，所述电信号处理模块(40)中用于解调的锁相放大器(402)与所述光源组件(10)中用于发射探测光的激光器(101)电连接，锁相放大器(402)输出一个频率可调的TTL信号加载在激光器(101)上，用于激光器(101)的调制。
7.根据权利要求1所述的一种基于振幅调制腔增强吸收光谱技术的气体测量方法，其特征在于，通过气路组件(60)向光学谐振腔(20)通入背景气或样气；所述气路组件(60)包括沿气体传输方向依次设置的气体过滤器(601)、三通电磁阀(602)、粒子过滤器(603)、质量流量计(604)和微型隔膜泵(605)；
所述气体过滤器(601)用于滤除样气中的待测成分得到背景气；所述三通电磁阀(602)一侧输入口连接样气，另一侧输入口连接所述气体过滤器(601)；所述三通电磁阀(602)的常开口即输出口连接所述粒子过滤器(603)，所述粒子过滤器(603)用于去除气体中存在的气溶胶颗粒；所述粒子过滤器(603)的输出口连接所述光学谐振腔的进气口(2031)，过滤后的气体依次流经所述光学谐振腔的进气口(2031)和出气口(2032)；所述光学谐振腔的出气口(2032)连接所述质量流量计(604)的输入口，所述质量流量计(604)用于控制出气口(2032)的流速大小；所述质量流量计(604)的输出口与所述微型隔膜泵(605)的输入口连接；所述微型隔膜泵(605)作为动力源，用于所述光学谐振腔(20)内气体的置换。
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