CN114279996A - 基于离轴积分腔的气相过氧化氢浓度检测系统 - Google Patents

Abstract

基于离轴积分腔的气相过氧化氢浓度检测系统，属于气体检测技术领域。解决了现有气相H₂O₂浓度检测系统存在体积庞大、且检测精度低的问题。本发明信号发生器产生一个高频正弦波和低频锯齿波信号叠加而成的控制信号，驱动器利用控制信号驱动激光器输出稳定调制波长的激光。使激光器输出的激光分成两束，一束激光作为参考光经过被检测气体后进行光电探测，另一束激光作为探测光入射离轴积分腔中，被离轴积分腔中被检测气体后进行光电探测，两束光均被被检测气体中气相H₂O₂和气相H₂O的吸收峰吸收，利用参考光电信号对探测光电信号进行补偿，完成气相H₂O₂浓度检测。本发明主要用于对气相H₂O₂浓度进行检测。

Description

基于离轴积分腔的气相过氧化氢浓度检测系统

技术领域

本发明属于气体检测技术领域。

背景技术

VHP(vaporhydrogenperoxide)是一种通过将过氧化氢(H₂O₂)溶液蒸发后进行灭菌的工艺，是利用过氧化氢在常温下气体状态比液体状态更具杀灭细菌芽孢能力的优点，达到完全灭菌的要求的一种技术。常用于隔离室、隔离器等密闭空间的灭菌。而实现灭菌工艺的第一步就是除湿，需将空气的相对湿度减少到设定值，使空气可以作为过氧化氢气体的载体，并在净化阶段维持过氧化氢气体的浓度在饱和露点水平之上。为此，需要同时检测空气的湿度即水分含量和过氧化氢的浓度。

现在的检测技术多是将H₂O和H₂O₂分开检测。常用的H₂O₂检测方法是基于光谱吸收法，利用波长范围210nm～350nm的紫外光进行检测。然而在紫外光波段，H₂S和H₂O₂吸收峰是重叠的，该种紫外吸收光谱法会受其他气体交叉干扰，导致检测精度低。现有技术还采用普通的TDLAS检测技术进行检测，其公开号为CN103604772A，但其检测的精度有限，而且设备体积相对较大，不适合狭小的空间。因此，如何减小检测系统的体积、提高检测精度，亟需解决。

发明内容

本发明目的是为了解决现有气相H₂O₂浓度检测系统存在体积庞大、且检测精度低的问题，提供了一种基于离轴积分腔的气相过氧化氢浓度检测系统。

基于离轴积分腔的气相过氧化氢浓度检测系统，包括信号发生器、驱动器、激光器、光纤分束器、第一准直器、第二准直器、离轴积分腔、汇聚透镜、第一探测器、第二探测器、A/D采集器、温度传感器、压力传感器、SOC处理器；

信号发生器，用于根据SOC处理器发出的控制指令，生成由高频正弦波和低频锯齿波信号叠加而成的控制信号，并利用该控制信号对驱动器进行驱动控制，驱动器根据接收的控制信号对激光器进行驱动控制，同时还对激光器的温度进行调节，使激光器输出的激光的波长处于近红外波段，且激光器输出的激光波长经过气相H₂O₂的吸收峰和气相H₂O的吸收峰；

激光器输出的激光经光纤分束器分束后，生成两束激光，且两束激光中的一束激光与另一束激光的能量比为1:9，其中，

一束激光作为参考光经第一准直器准直后，穿过被测气体，经被测气体吸收峰吸收后入射至第一探测器，参考光经第一探测器光电探测后，生成的参考光电信号送至A/D采集器经数据采集后，送至SOC处理器；

另一束激光作为探测光经第二准直器准直后，以离轴的方式入射至离轴积分腔，探测光在离轴积分腔内多次反射，且经离轴积分腔内的被测气体吸收峰吸收后出射至汇聚透镜，经汇聚透镜汇聚后，经第二探测器光电探测后，生成的探测光电信号送至A/D采集器经数据采集后，送至SOC处理器；所述被测气体为被测气相H₂O₂与气相H₂O的混合气体；

温度传感器和压力传感器分别用于采集离轴积分腔内的温度和压力后送至SOC处理器；

SOC处理器，用于通过数字锁相算法对接收的参考光电信号进行处理，获得第一个气相H₂O浓度测量值；还用于通过数字锁相算法对接收的探测光电信号进行处理，获得气相H₂O₂浓度测量值和第二个气相H₂O浓度测量值；还用于根据两个气相H₂O浓度测量值、以及温度和压力对气相H₂O₂浓度测量值进行矫正，获得气相H₂O₂浓度实际值。

本发明带来的有益效果是：

根据气相H₂O₂和气相H₂O的吸收光谱可知，在很短的波长变化范围内，两种气体有邻近的吸收峰，本发明根据H₂O₂和H₂O的吸收谱线相近的特征，实现一个激光器对H₂O₂和H₂O的同时测量。

本发明利用近红外波段的光源进行检测，不受其他气体交叉干扰。解决了传统的紫外吸收光谱法受到H₂S的影响，相干扰气体同时存在时不能检测H₂O₂浓度、且测量精度较差的问题。本发明采用了离轴腔增强吸收光谱技术，使探测光以一定的角度进入离轴积分腔(也即：以离轴的方式)代替怀特池或赫利奥特池等传统的气体吸收池，通过该技术取得的等效光程比相同体积传统怀特池，赫利奥特池光程提升1到2个数量级以上，进而提高测量精度。

但由于离轴积分腔的反射率会随环境变化而产生微弱变化，反射率的变化对等效光程长存在较大影响，进而对测量精度较大影响，故设置参考光路，对测量数据进行矫正。并将波长调制光谱技术与离轴积分腔技术相结合，可以有效抑制背景噪声，并归一化光强变化，极大提高检测精度。

附图说明

图1是本发明所述基于离轴积分腔的气相过氧化氢浓度检测系统的原理示意图。

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作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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

具体实施方式一、参见图1，说明本实施方式，本实施方式所述的基于离轴积分腔的气相过氧化氢浓度检测系统，包括信号发生器1、驱动器2、激光器3、光纤分束器4、第一准直器5、第二准直器6、离轴积分腔7、汇聚透镜8、第一探测器9、第二探测器10、A/D采集器11、温度传感器12、压力传感器13、SOC处理器14；

信号发生器1，用于根据SOC处理器14发出的控制指令，生成由高频正弦波和低频锯齿波信号叠加而成的控制信号，并利用该控制信号对驱动器2进行驱动控制，驱动器2根据接收的控制信号对激光器3进行驱动控制，同时还对激光器3的温度进行调节，使激光器3输出的激光的波长处于近红外波段，且激光器3输出的激光波长经过气相H₂O₂的吸收峰和气相H₂O的吸收峰；

激光器3输出的激光经光纤分束器4分束后，生成两束激光，且两束激光中的一束激光与另一束激光的能量比为1:9，其中，

一束激光作为参考光经第一准直器5准直后，穿过被测气体，经被测气体吸收峰吸收后入射至第一探测器9，参考光经第一探测器9光电探测后，生成的参考光电信号送至A/D采集器11经数据采集后，送至SOC处理器14；

另一束激光作为探测光经第二准直器6准直后，以离轴的方式入射至离轴积分腔7，探测光在离轴积分腔7内多次反射，且经离轴积分腔7内的被测气体吸收峰吸收后出射至汇聚透镜8，经汇聚透镜8汇聚后，经第二探测器10光电探测后，生成的探测光电信号送至A/D采集器11经数据采集后，送至SOC处理器14；所述被测气体为被测气相H₂O₂与气相H₂O的混合气体；

温度传感器12和压力传感器13分别用于采集离轴积分腔7内的温度和压力后送至SOC处理器14；

SOC处理器14，用于通过数字锁相算法对接收的参考光电信号进行处理，获得第一个气相H₂O浓度测量值；还用于通过数字锁相算法对接收的探测光电信号进行处理，获得气相H₂O₂浓度测量值和第二个气相H₂O浓度测量值；还用于根据两个气相H₂O浓度测量值、以及温度和压力对气相H₂O₂浓度测量值进行矫正，获得气相H₂O₂浓度实际值。

本实施方式所述的基于离轴积分腔的气相过氧化氢浓度检测系统结构简单，具体应用时，先将光学器件置于被测气相H₂O₂灭菌环境中，信号发生器1产生一个高频正弦波和低频锯齿波信号叠加而成的控制信号，由驱动器2将叠加而成的控制信号转换成电流信号驱动激光器3发出激光，同时控制激光器3的温度，使激光器3输出稳定调制波长的激光。这样激光器3的输出光功率由低频锯齿波驱动进行线性扫描的同时，也伴随着高频正弦调制。同时利用波长调制光谱技术，可以有效抑制背景噪声，提升测量精度。

根据气相H₂O₂和气相H₂O的吸收光谱可知，在很短的波长变化范围内，两种气体有邻近的吸收峰，本发明根据H₂O₂和H₂O的吸收谱线相近的特征，实现一个激光器3对H₂O₂和H₂O的同时测量。本发明利用近红外波段的光源进行检测，不受其他气体交叉干扰。

但由于离轴积分腔7的反射率会随环境变化而产生微弱变化，反射率的变化对等效光程长存在较大影响，进而对测量精度较大影响，故设置参考光路，对测量数据进行矫正。并将波长调制光谱技术与离轴积分腔技术相结合，可以有效抑制背景噪声，并归一化光强变化，极大提高检测精度。

进一步的，SOC处理器14，用于通过数字锁相算法对接收的参考光电信号进行处理，获得第一个气相H₂O浓度测量值的实现方式为：

首先通过数字锁相算法提取参考光电信号的二次谐波与一次谐波的比值，并提取其该比值所在波形信号的峰峰值，再将该峰峰值与预设气相H₂O调节系数的比值，作为第一个气相H₂O浓度测量值。

更进一步的，SOC处理器14，用于通过数字锁相算法对接收的探测光电信号进行处理，获得第二个气相H₂O浓度测量值的实现方式为：

首先通过数字锁相算法提取探测光电信号的二次谐波与一次谐波的比值，并提取其该比值所在波形信号的峰峰值，再将该峰峰值与预设气相H₂O调节系数的比值，作为第二个气相H₂O浓度测量值。

更进一步的，SOC处理器14，用于通过数字锁相算法对接收的探测光电信号进行处理，获得气相H₂O₂浓度测量值的实现方式为：

首先通过数字锁相算法提取探测光电信号的二次谐波与一次谐波的比值，并提取其该比值所在波形信号的峰峰值，再将该峰峰值与预设气相H₂O₂调节系数的比值，作为气相H₂O₂浓度测量值。

更进一步的，SOC处理器14根据两个气相H₂O浓度测量值、以及温度和压力对气相H₂O₂浓度测量值进行矫正，获得气相H₂O₂浓度实际值的实现方式为：

首先根据两个气相H₂O浓度测量值，获得当前检测环境状况下的气相H₂O浓度飘移比；再利用气相H₂O浓度飘移比对气相H₂O₂浓度测量值进行修正，获得气相H₂O₂浓度修正值；最后利用采集的温度和压力对气相H₂O₂浓度修正值进行补偿，从而获得气相H₂O₂浓度实际值。

本优选实施方式中，利用气相H₂O浓度飘移比对气相H₂O₂浓度测量值进行一次修正，再利用采集的温度和压力对气相H₂O₂浓度修正值进行一次补偿，从而获得气相H₂O₂浓度实际值，整个过程相当于对气相H₂O₂浓度测量值进行两次修正，进一步提高了气相H₂O₂浓度的测量精度，且操作过程简单，便于实现。操作过程中通过采集的温度和压力对气相H₂O₂浓度修正值进行一次补偿采用现有技术手段实现。

更进一步的，SOC处理器14还用对数据进行存储及显示。

更进一步的，离轴积分腔7由共轴、且相对设置的第一腔镜7-1和第二腔镜7-2构成。

更进一步的，第一腔镜7-1和第二腔镜7-2均为介质膜反射镜。

具体应用时，介质膜反射镜为平凹反射镜，且平凹反射镜的平面和凹面均为精抛光面。

更进一步的，介质膜反射镜的工作范围为1280nm至1600nm。

更进一步的，激光器3采用单DFB激光器实现。

本优选实施方式中，单DFB激光器的波长调节范围为1nm至2nm。

原理分析：本发明信号发生器产生一个高频正弦波和低频锯齿波信号叠加而成的控制信号，驱动器利用控制信号驱动激光器输出稳定调制波长的激光。激光器输出的激光的波长处于近红外波段，且激光器输出的激光波长经过气相H₂O₂的吸收峰和气相H₂O的吸收峰；使激光器输出的激光分成两束，一束激光作为参考光经过被检测气体后进行光电探测，另一束激光作为探测光入射离轴积分腔中，被离轴积分腔中被检测气体后进行光电探测，两束光均被被检测气体中气相H₂O₂和气相H₂O的吸收峰吸收，利用参考光电信号对探测光电信号进行补偿，完成气相H₂O₂浓度检测。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.基于离轴积分腔的气相过氧化氢浓度检测系统，其特征在于，包括信号发生器(1)、驱动器(2)、激光器(3)、光纤分束器(4)、第一准直器(5)、第二准直器(6)、离轴积分腔(7)、汇聚透镜(8)、第一探测器(9)、第二探测器(10)、A/D采集器(11)、温度传感器(12)、压力传感器(13)、SOC处理器(14)；

信号发生器(1)，用于根据SOC处理器(14)发出的控制指令，生成由高频正弦波和低频锯齿波信号叠加而成的控制信号，并利用该控制信号对驱动器(2)进行驱动控制，驱动器(2)根据接收的控制信号对激光器(3)进行驱动控制，同时还对激光器(3)的温度进行调节，使激光器(3)输出的激光的波长处于近红外波段，且激光器(3)输出的激光波长经过气相H₂O₂的吸收峰和气相H₂O的吸收峰；

激光器(3)输出的激光经光纤分束器(4)分束后，生成两束激光，且两束激光中的一束激光与另一束激光的能量比为1:9，其中，

一束激光作为参考光经第一准直器(5)准直后，穿过被测气体，经被测气体吸收峰吸收后入射至第一探测器(9)，参考光经第一探测器(9)光电探测后，生成的参考光电信号送至A/D采集器(11)经数据采集后，送至SOC处理器(14)；

另一束激光作为探测光经第二准直器(6)准直后，以离轴的方式入射至离轴积分腔(7)，探测光在离轴积分腔(7)内多次反射，且经离轴积分腔(7)内的被测气体吸收峰吸收后出射至汇聚透镜(8)，经汇聚透镜(8)汇聚后，经第二探测器(10)光电探测后，生成的探测光电信号送至A/D采集器(11)经数据采集后，送至SOC处理器(14)；所述被测气体为被测气相H₂O₂与气相H₂O的混合气体；

温度传感器(12)和压力传感器(13)分别用于采集离轴积分腔(7)内的温度和压力后送至SOC处理器(14)；

SOC处理器(14)，用于通过数字锁相算法对接收的参考光电信号进行处理，获得第一个气相H₂O浓度测量值；还用于通过数字锁相算法对接收的探测光电信号进行处理，获得气相H₂O₂浓度测量值和第二个气相H₂O浓度测量值；还用于根据两个气相H₂O浓度测量值、以及温度和压力对气相H₂O₂浓度测量值进行矫正，获得气相H₂O₂浓度实际值。

2.根据权利要求1所述的基于离轴积分腔的气相过氧化氢浓度检测系统，其特征在于，SOC处理器(14)，用于通过数字锁相算法对接收的参考光电信号进行处理，获得第一个气相H₂O浓度测量值的实现方式为：

首先通过数字锁相算法提取参考光电信号的二次谐波与一次谐波的比值，并提取其该比值所在波形信号的峰峰值，再将该峰峰值与预设气相H₂O调节系数的比值，作为第一个气相H₂O浓度测量值。

3.根据权利要求1所述的基于离轴积分腔的气相过氧化氢浓度检测系统，其特征在于，SOC处理器(14)，用于通过数字锁相算法对接收的探测光电信号进行处理，获得第二个气相H₂O浓度测量值的实现方式为：

首先通过数字锁相算法提取探测光电信号的二次谐波与一次谐波的比值，并提取其该比值所在波形信号的峰峰值，再将该峰峰值与预设气相H₂O调节系数的比值，作为第二个气相H₂O浓度测量值。

4.根据权利要求1所述的基于离轴积分腔的气相过氧化氢浓度检测系统，其特征在于，SOC处理器(14)，用于通过数字锁相算法对接收的探测光电信号进行处理，获得气相H₂O₂浓度测量值的实现方式为：

首先通过数字锁相算法提取探测光电信号的二次谐波与一次谐波的比值，并提取其该比值所在波形信号的峰峰值，再将该峰峰值与预设气相H₂O₂调节系数的比值，作为气相H₂O₂浓度测量值。

5.根据权利要求1所述的基于离轴积分腔的气相过氧化氢浓度检测系统，其特征在于，SOC处理器(14)根据两个气相H₂O浓度测量值、以及温度和压力对气相H₂O₂浓度测量值进行矫正，获得气相H₂O₂浓度实际值的实现方式为：

首先根据两个气相H₂O浓度测量值，获得当前检测环境状况下的气相H₂O浓度飘移比；再利用气相H₂O浓度飘移比对气相H₂O₂浓度测量值进行修正，获得气相H₂O₂浓度修正值；最后利用采集的温度和压力对气相H₂O₂浓度修正值进行补偿，从而获得气相H₂O₂浓度实际值。

6.根据权利要求1所述的基于离轴积分腔的气相过氧化氢浓度检测系统，其特征在于，SOC处理器(14)还用对数据进行存储及显示。

7.根据权利要求1所述的基于离轴积分腔的气相过氧化氢浓度检测系统，其特征在于，离轴积分腔(7)由共轴、且相对设置的第一腔镜(7-1)和第二腔镜(7-2)构成。

8.根据权利要求1所述的基于离轴积分腔的气相过氧化氢浓度检测系统，其特征在于，第一腔镜(7-1)和第二腔镜(7-2)均为介质膜反射镜。

9.根据权利要求1所述的基于离轴积分腔的气相过氧化氢浓度检测系统，其特征在于，介质膜反射镜的工作范围为1280nm至1600nm。

10.根据权利要求1所述的基于离轴积分腔的气相过氧化氢浓度检测系统，其特征在于，激光器(3)采用单DFB激光器实现。

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