CN114486846A - 一种多气体组分和浓度的检测装置及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多气体组分和浓度的检测装置及检测方法，主要解决现有气体组分及浓度的检测装置检测组分单一、可靠性差及使用环境受限等技术问题。本发明将所用检测装置按照“主机‑探头”模块化分开，整体分为三个分系统：光源分系统、探头分系统、信号感知分系统，在实际使用时只需将探头分系统置于待测环境中，而光源分系统及信号感知分系统可远离恶劣环境，在保证原位测量的同时，有效避免了冲击振动等恶劣环境对精密核心部件的影响。探头分系统通过搭配使用激励光准直汇聚器、激励光耦合器、中继光纤等，实现了激励光的多路复用，从而大幅提升了待测气体的表征信号，实现了冲击振动等恶劣环境下的气体组分及浓度的高灵敏度检测。

Description

一种多气体组分和浓度的检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及气体组分的检测技术，特别是涉及一种多气体组分和浓度的检测装置及检测方法。
背景技术
气体组分及浓度是环境条件的重要指标，对认识环境的变化过程等具有重要意义，对于爆炸、发动机羽焰等恶劣环境下的气体组分及浓度的检测更是如此。拉曼散射方法是一种常用的气体组分及其浓度的测量方法，当激光照射气体分子时，光子与气体分子发生非弹性碰撞，造成光子与气体分子间的能量交换，从而产生与入射光子能量不同的散射光子，表现为拉曼散射，其中能量增加的称为反斯托克斯拉曼散射，减少的称为斯托克斯拉曼散射。基于热平衡状态下的极化理论可以计算得到斯托克斯拉曼散射信号的强度表达式：
IR＝ηnσP
其中，IR表示拉曼散射强度，η表示系统的整体收集效率，与实验系统有关，n为相应气体组分的分子数密度，σ为相应气体组分的拉曼散射截面，P为入射激光的能量。由上式可知，拉曼散射信号的强度与所测气体组分的分子数密度成正比，故可以通过探测不同气体的拉曼散射信号获得气体的组分信息以及各组分的相对浓度信息，在多气体组分及浓度的检测上具有天然的优势。
然而，拉曼散射的信号非常微弱，使得其检测灵敏度很低，这极大地限制了拉曼散射光谱的应用。目前，为了增强拉曼信号提高其检测灵敏度，研究人员发展了多种技术，比如表面增强拉曼光谱技术、共振拉曼光谱技术、腔增强拉曼技术等。但是这些技术方法均有一定的适用条件，比如表面增强拉曼光谱技术需要一定的活性基底，且极易受到干扰；共振拉曼技术需要激励光波长与待测物质相匹配，很难做到多气体的同时检测；腔增强拉曼技术需要将激励光囚禁于一个特定的光学腔内以实现多次振荡，光路结构较为复杂，且对腔的稳定性要求较高。对于爆炸、发动机羽焰等冲击振动大于十个重力加速度、温度达到几百度的恶劣环境，上述方法很难做到多气体组分及浓度的可靠检测。因此，开发可以在冲击振动等恶劣环境下，可靠、准确地探测多种气体组分及浓度的方法具有重要意义。
发明内容
本发明针对现有多气体组分检测技术检测灵敏度低、可靠性差及检测装置使用环境受限等技术问题，提供了一种多气体组分和浓度的检测装置及检测方法，技术方案具体如下：
一种多气体组分和浓度的检测装置，其特殊之处在于，包括光源分系统、探头分系统及信号感知分系统；
所述光源分系统与探头分系统之间通过激励光传输光纤连接；
所述探头分系统与信号感知分系统之间通过信号光传输光纤连接；
所述光源分系统包括至少一个激光器、与激光器连接的光纤耦合器及暗室；
所述探头分系统包括一体化支撑结构，依次设置在一体化支撑结构侧壁上的多组间隔设置的激励光准直汇聚器和激励光耦合器，以及间隔地连接相邻两组激励光准直汇聚器和激励光耦合器的中继光纤，每组所述激励光准直汇聚器与激励光耦合器均相对于一体化支撑结构的中心对称设置；所述激励光传输光纤的输出端与其中一组所述激励光准直汇聚器的输入端连接；所述一体化支撑结构上还包括一组凹面镜和成像透镜组，所述凹面镜和成像透镜组搭配使用且在一体化支撑结构上呈中心对称设置；所述激励光准直汇聚器、激励光耦合器、凹面镜及成像透镜组均紧固于一体化支撑结构上；
所述信号感知分系统包括依次设置在信号传输光路上的光纤适配器，单色仪，探测器及与探测器电连接的计算机终端；还包括设置在光纤适配器前端的滤光片。
进一步地，所述激光器为窄线宽连续激光器，且使用功率为瓦级功率，因窄线宽连续激光器输出一定功率的窄线宽单色光，其激发拉曼信号的有效利用率较高；同时，激光器功率使用瓦级的功率，因激光器功率过低会影响探测灵敏度，激光器功率过高时散热要求高且成本较高，同时有可能会出现非线性效应。
所述光纤耦合器选择短焦透镜组，短焦透镜组可将光斑进一步压细，耦合效率较高，进而可提高激励光的利用率。
进一步地，所述激励光传输光纤选择多模光纤，进一步提高激励光偶进传输光纤的耦合效率。
进一步地，所述中继光纤通过光纤连接法兰连接激励光准直汇聚器和激励光耦合器；所述激励光准直汇聚器、激励光耦合器、凹面镜及成像透镜组均通过卡具及法兰紧固于一体化支撑结构上。
进一步地，所述凹面镜采用石英基底且镀功能膜的凹面镜；所述成像透镜组采用石英基底且镀功能膜的成像透镜组，凹面镜和成像透镜组搭配使用，分别置于上述激励光汇聚点的对侧，可增加收集立体角，提高信号的收集效率。
进一步地，所述信号光传输光纤选择密排光纤束，密排光纤束由多根光纤密排组成，其端面是多个光纤端面的相加，可有效提升信号偶进光纤的耦合效率。
进一步地，所述滤光片为长帯通滤光片且至少2片组合使用，滤光片主要用于滤除瑞利散射和米散射等背景光的干扰，多片联合使用时效果更佳。
进一步地，所述探测器为ICCD或CCD探测器时，可降低电子噪声且积分时间可调，进而提高结果的精度。
本发明还提供了一种基于多气体组分和浓度检测装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤a)激光器发出连续激励光，激励光通过光纤耦合器耦进激励光传输光纤；
步骤b)经激励光传输光纤传输后的激励光，经激励光准直汇聚器输出并实现空间汇聚，与探测区气体相互作用产生拉曼信号；
步骤c)激励光继续空间传播，再由激光耦合器将其耦进中继光纤，经中继光纤传输并改变传播方向后，通过相邻的激励光准直汇聚器，再次实现空间汇聚，所述空间汇聚的汇聚点与步骤b)所述空间汇聚的汇聚点相同，之后激励光继续空间传播，并由对应的激光耦合器耦进对应的中继光纤，如此多次循环，可实现激励光的多路复用；
步骤d)由在一体化支撑结构上中心对称放置的凹面镜和成像透镜组搭配使用，将步骤b)和步骤c)产生的拉曼信号进行收集并传递到信号光传输光纤的端面，接着将收集的拉曼信号耦进信号光传输光纤；
步骤e)所述拉曼信号经信号光传输光纤输出，并经滤光片进入光纤适配器；
步骤f)所述光纤适配器输出的拉曼信号通过单色仪的狭缝进入单色仪，由单色仪进行分光形成光谱；
步骤g)探测器对所述光谱进行记录，并通过计算机终端显示，进而完成多气体组分和浓度检测。
进一步地，所述计算机终端显示的光谱信息中，若结果的信噪比≥3，则代表完成待探测区域的气体组分及浓度的检测；若结果的信噪比＜3，则代表待探测区域的部分气体未检测出，此时需重复步骤a)至步骤g)的检测方法，且步骤a)中使用多个激光器，直至完成待探测区域的气体组分及浓度的检测。
本发明的有益效果为：
1、本发明的一种多气体组分和浓度的检测装置及检测方法，基于拉曼散射光谱的方法实现了多气体组分及浓度的探测，同时通过多路复用的方法大幅提高探测点处的激励光能量，从而实现拉曼信号的增强，具有环境适应性强、信号强度大、可实现多组分气体检测，且检测灵敏度高、可靠性高等优势。
2、本发明的一种多气体组分和浓度的检测装置，将整体结构区分为光源分系统、探头分系统和信号感知分系统，各分系统之间通过光纤连接，在实现信号增强的同时，具有较好的抗冲击振动性能，可实现冲击振动等恶劣环境的气体组分及浓度的检测，进而实现了冲击振动等恶劣环境多气体组分及浓度的高精度探测。
3、本发明的一种多气体组分和浓度的检测装置，探头分系统内所用的激励光准直汇聚器、激励光耦合器可通过使用耐高温的胶水粘接石英镜片组制备，从而使该分系统可耐受高温，可适用于高温的恶劣环境。
4、本发明的一种多气体组分和浓度的检测方法，基于激励光多路复用的拉曼散射光谱技术，实现了冲击振动等恶劣环境下多种气体组分及浓度的灵敏、可靠检测。
附图说明
图1是本发明一种多气体组分和浓度的检测装置的示意图；
图2是本发明一种多气体组分和浓度的检测装置中圆柱状一体化支撑结构正视图；
图3为本发明一种多气体组分和浓度的检测装置中圆柱状一体化支撑结构侧视图；
图4为本发明一种多气体组分和浓度的检测装置中圆柱状一体化支撑结构俯视图；
图5是本发明一种多气体组分和浓度的检测装置中的探头分系统工作过程示意图；
图6是本发明一种多气体组分和浓度的检测装置中信号光传输光纤的端面结构示意图；
图7是利用本发明的检测方法所探测到的空气中的N2、O2及H2O的拉曼光谱图。
附图标记说明：
101-光源分系统，201-探头分系统，301-信号感知分系统。
1-激光器，2-光纤耦合器，3-激励光传输光纤，4-激励光准直汇聚器，5-激励光耦合器，6-中继光纤，7-一体化支撑结构，8-凹面镜，9-成像透镜组，10-信号光传输光纤，11-滤光片，12-光纤适配器，13-单色仪，14-探测器，15-计算机终端，16-暗室，17-准直汇聚器安装孔，18-光纤耦合器安装孔，19-凹面镜安装孔，20-成像透镜组安装孔，21-激励光汇聚点，22-信号输入端，23-信号输出端。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明，需要说明的是：附图采用简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，一种多气体组分和浓度的检测装置，包括光源分系统101、探头分系统201和信号感知分系统301，其中光源分系统101和信号感知分系统301组成“主机”模块，探头分系统201组成“探头”模块，光源分系统101与探头分系统201之间通过激励光传输光纤3连接，激励光传输光纤3为芯径为62.5/125μm的多模光纤，可传输20m。探头分系统201与信号感知分系统301之间通过信号光传输光纤10连接(结构如图6所示)，其中“探头”模块处于恶劣环境下进行原位测量，“主机”模块远离恶劣环境，防止冲击振动损伤。
光源分系统101包括激光器1、光纤耦合器2和暗室16；激光器1优选为窄线宽连续激光器，本实施例中窄线宽连续激光器中心波长为532nm，线宽为1MHz，功率为1W。光纤耦合器2核心部件为短焦透镜，可将85％的激励光耦进激励光传输光纤，光纤耦合效率较高。暗室16用来收集最终的出射光，即收集使用完后的激励光，防止其到处传播，暗室16的位置可根据实际使用场所进行实时调整。
结合图1和图5，探头分系统201包括一体化支撑结构7、依次设置在一体化支撑结构7侧壁上的多组激励光准直汇聚器4和激励光耦合器5、间隔地连接相邻两组激励光准直汇聚器4和激励光耦合器5的中继光纤6，还包括在一体化支撑结构7上呈中心对称设置的一组凹面镜8和成像透镜组9。一体化支撑结构7由航空锻铝通过机械加工的方式制备，对穿孔一体化加工可保证对心的精度。
如图4所示，一体化支撑结构7上设有准直汇聚器安装孔17、光纤耦合器安装孔18、凹面镜安装孔19及成像透镜组安装孔20，且各孔位处均留有法兰对接口，用以通过光纤连接法兰将激励光准直汇聚器4、激励光耦合器5、凹面镜8、成像透镜组9紧固于一体化支撑结构7上。
结合图2、图3和图4，一体化支撑结构7为具有中心对称特性的中空体结构，如圆柱体、正六棱柱体、正八棱柱、正十二棱柱等，优选地使用圆柱体结构，各组激励光准直汇聚器4和激励光耦合器5均设置于圆柱体的壁上，但均以圆柱体的中心对称设置。
激励光准直汇聚器4和激励光耦合器5搭配使用，其中激励光准直汇聚器4可将532nm的激励光在距出光口30mm处压缩至180μm左右，汇聚于激励光汇聚点21，之后激励光继续传播，由对应的激励光耦合器5将压缩后再传输的激励光耦进中继光纤6，激励光准直汇聚器4和激励光耦合器5呈中心对称放置，分别处于激励光汇聚点21的两侧。
中继光纤6使用芯径为62.5/125μm的多模光纤，纤长30cm，通过光纤连接法兰分别连接相邻两组激励光准直汇聚器4和激励光耦合器5，以实现多组激励光准直汇聚器4和激励光耦合器5的串联，从而实现一束激励光的多路复用。
凹面镜8材质为熔融石英，直径是15mm、焦距是15mm，且凹面镀有可见波段的增反介质膜。成像透镜9由特制的耐高温双胶合透镜组成，材质为熔融石英，直径是15mm、焦距是15mm，两面均镀有可见波段的增透介质膜。凹面镜8和成像透镜组9两者搭配使用，分别置于激励光汇聚点21的对侧，通过1:1成像的方式，将激励光汇聚点21处的拉曼信号收集至信号光传输光纤10的端面上，凹面镜8设置在成像透镜组9的对侧，可增加收集的立体角度，进而提高信号的收集效率。
结合图1，信号感知分系统301包括依次设置在信号传输光路上的光纤适配器12、单色仪13、探测器14及计算机终端15；还包括设置在光纤适配器12前端的滤光片11，滤光片11使用截止波长为550nm的长带通滤光片，且至少两片隔开后串联使用，以滤除瑞利散射和米散射等背景光的干扰。光纤适配器12一端连接信号光传输光纤10，一端连接单色仪13，且光纤适配器12内部有镜片组，可以将信号光传输光纤10中输出的信号光1:1成像至单色仪13的狭缝前，有效提升信号光的收集效率。信号光传输光纤10是由37根芯径为200μm的多模光纤组成的密排光纤束，一端是做密排分布即信号输入端22，用于接收信号；另一端做相应的线排分布即信号输出端23，具体排布方式如图6所示，其中信号输入端22紧固于一体化支撑结构7上，位于成像透镜组9的后端，信号输出端23和光纤适配器相连。单色仪13的闪耀波长(即光栅上最大光强度所对应的波长)600nm，狭缝的宽度为200μm，中心波长设置为600nm，探测范围为550nm-650nm；或者中心波长660nm，探测范围为610nm-710nm。探测器14可使用ICCD或CCD探测器，本实施例使用ICCD探测器，其具有一定信号放大功能，开门时间是1s，可快速准确地将信息录入。
本实施例还提供一种多气体组分和浓度的检测方法，具体为：
1)激光器1发出连续激励光，激励光通过光纤耦合器2耦进激励光传输光纤3；
2)激励光在传输一段距离后，经激励光准直汇聚器4输出并实现激励光的空间汇聚，即汇聚于激励光汇聚点21，从而将光斑压细以提高功率密度，并与探测区气体相互作用进而产生拉曼信号；
3)激励光继续在空间传播，再由激光耦合器5将其耦进中继光纤6，经中继光纤6传输并改变传播方向后，通过相邻的激励光准直汇聚器4，再次实现激励光的空间汇聚，此时汇聚点即为步骤2)的激励光汇聚点21，之后激励光继续空间传播，并再由对应的激光耦合器5耦进对应的中继光纤6，如此多次循环，则可实现激励光的多路复用，如图5所示，具体实施方案中使用四组激励光准直汇聚器4和激励光耦合器5，即实现激励光的四次利用；
4)在一体化支撑结构7上呈中心对称的凹面镜8和成像透镜组9搭配使用，对步骤2)和步骤3)产生的拉曼信号进行收集，并将收集到拉曼信号传到信号光传输光纤10的端面，进而耦进信号光传输光纤10；
5)拉曼信号在信号光传输光纤10中传输一段距离后输出，经滤光片11及光纤耦合器12，传输至单色仪13的狭缝处，进入单色仪13并经单色仪13分光，分光即是将接收到的复色光转化成单色光，将不同波长对应的光分开，进而形成光谱，再由探测器14记录光谱数据，不同位置代表不同波长，拉曼信号经分光后，不同波长对应的光强度不同，光强度越高则代表该类气体的浓度越大，最终通过计算机终端15以表格或者光谱图的形式显示多气体组分的浓度，若最终显示的信息中信噪比≥3，则代表完成待探测区域的气体组分及浓度的检测；若信噪比＜3，则代表待探测区域的部分气体含量未检测出，此时需重复步骤1)至步骤5)的检测方法，且步骤1)中使用多个激光器1，直至完成待探测区域的气体组分及浓度的精确检测。
具体地，当信噪比＜3时，使用多个激光器1，多个激光器1发出激励光，通过不同的光纤耦合器2耦进不同的激励光传输光纤3，进而经不同的激励光准直汇聚器4输出并实现空间汇聚，从而将多个激光器1输出的激励光分别多次复用后，叠加至一点，以此可大幅提升该处的激励光能量，进而实现待探测处的气体组分及浓度的检测，以此来进一步提升检测灵敏度。
如图7所示，为使用上述检测方法测得空气中的N2、O2、H2O的拉曼信号的通过本发明的检测装置呈现的光谱图。
本发明的一种多气体组分和浓度的检测装置及检测方法，基于拉曼散射光谱的方法实现了多气体组分和浓度的探测，同时通过多路复用的方法大幅提高探测点处的激励光能量，从而实现拉曼信号的增强，检测灵敏度高，可实现多组分气体检测。
本发明可应用于各种复杂环境中的气体组分及浓度的检测，可根据实际需求将一体化支撑结构7置于待探测区域，一体化支撑结构7也可以根据实际工作环境的状态进行具体安装，如在工作场所较为优良的环境下，可简单固定即可；如在复杂的环境下，可适当在一体化支撑结构7外侧增加保护罩，并留有传输光纤的接口，不仅能保护检测装置在工作过程中中继光纤6的良好接触，同时也可提高结构的生存能力，具有环境适应性强、检测结果可靠性高等优势。
以上发明内容仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种多气体组分和浓度的检测装置，其特征在于：
包括光源分系统(101)、探头分系统(201)、以及信号感知分系统(301)；
所述光源分系统(101)与探头分系统(201)之间通过激励光传输光纤(3)连接；
所述探头分系统(201)与信号感知分系统(301)之间通过信号光传输光纤(10)连接；
所述光源分系统(101)包括至少一个激光器(1)、与激光器(1)连接的光纤耦合器(2)及暗室(16)；
所述探头分系统(201)包括一体化支撑结构(7)，依次设置在一体化支撑结构(7)侧壁上的多组间隔设置的激励光准直汇聚器(4)和激励光耦合器(5)，以及间隔地连接相邻两组激励光准直汇聚器(4)和激励光耦合器(5)的中继光纤(6)，每组所述激励光准直汇聚器(4)与激励光耦合器(5)均相对于一体化支撑结构(7)的中心对称设置；所述激励光传输光纤(3)的输出端与其中一组激励光准直汇聚器(4)的输入端连接；所述一体化支撑结构(7)上还包括一组凹面镜(8)和成像透镜组(9)，所述凹面镜(8)和成像透镜组(9)搭配使用且在一体化支撑结构(7)上呈中心对称设置；所述激励光准直汇聚器(4)、激励光耦合器(5)、凹面镜(8)及成像透镜组(9)均紧固于一体化支撑结构(7)上；
所述信号感知分系统(301)包括依次设置在信号传输光路上的光纤适配器(12)，单色仪(13)，探测器(14)，以及与探测器(14)电连接的计算机终端(15)；还包括设置在光纤适配器(12)前端的滤光片(11)。
2.根据权利要求1所述的多气体组分和浓度的检测装置，其特征在于：
所述激光器(1)为窄线宽连续激光器，使用功率为瓦级功率；
所述光纤耦合器(2)选择短焦透镜组光纤耦合器。
3.根据权利要求2所述的多气体组分和浓度的检测装置，其特征在于：
所述激励光传输光纤(3)为多模光纤。
4.根据权利要求3所述的多气体组分和浓度的检测装置，其特征在于：
所述中继光纤(6)通过光纤连接法兰连接激励光准直汇聚器(4)和激励光耦合器(5)；
所述激励光准直汇聚器(4)、激励光耦合器(5)、凹面镜(8)及成像透镜组(9)均通过卡具及法兰紧固于一体化支撑结构(7)上。
5.根据权利要求4所述的多气体组分和浓度的检测装置，其特征在于：
所述凹面镜(8)采用石英基底且镀功能膜的凹面镜；
所述成像透镜组(9)采用石英基底且镀功能膜的成像透镜组。
6.根据权利要求5所述的多气体组分和浓度的检测装置，其特征在于：
所述信号光传输光纤(10)为密排光纤束。
7.根据权利要求6所述的多气体组分和浓度的检测装置，其特征在于：
所述滤光片(11)为长帯通滤波片且至少2片组合使用。
8.根据权利要求7所述的多气体组分和浓度检测装置，其特征在于：
所述探测器(14)为ICCD探测器或CCD探测器。
9.根据权利要求1-8任一所述的多气体组分和浓度的检测装置，其特征在于：还包括一种多气体组分和浓度的检测方法，所述检测方法包括以下步骤：
步骤a)激光器(1)发出连续激励光，激励光通过光纤耦合器(2)耦进激励光传输光纤(3)；
步骤b)经激励光传输光纤(3)传输后的激励光，经激励光准直汇聚器(4)输出并实现空间汇聚，与探测区气体相互作用产生拉曼信号；
步骤c)激励光继续空间传播，再由激光耦合器(5)将其耦进中继光纤(6)，经中继光纤(6)传输并改变传播方向后，通过相邻的激励光准直汇聚器(4)，再次实现空间汇聚，所述空间汇聚的汇聚点与步骤b)所述空间汇聚的汇聚点相同，之后激励光继续空间传播，并由对应的激光耦合器(5)耦进对应的中继光纤(6)，如此多次循环，可实现激励光多路复用；
步骤d)由在一体化支撑结构(7)上中心对称放置的凹面镜(8)和成像透镜组(9)搭配使用，将步骤b)和步骤c)产生的拉曼信号进行收集并传递到信号光传输光纤(10)的端面，接着将收集的拉曼信号耦进信号光传输光纤进行传输(10)；
步骤e)所述拉曼信号经信号光传输光纤(10)输出，并经滤光片(11)进入光纤适配器(12)；
步骤f)所述光纤适配器(12)输出的拉曼信号通过单色仪(13)的狭缝进入单色仪(13)，由单色仪(13)进行分光形成光谱；
步骤g)探测器(14)对所述光谱进行记录，并通过计算机终端(15)显示，进而完成多气体组分和浓度的检测。
10.根据权利要求9所述的多气体组分和浓度的检测方法，其特征在于：
所述计算机终端(15)显示的光谱信息中，若结果的信噪比≥3，则代表完成待探测区域的气体组分及浓度的检测；
若结果的信噪比＜3，则代表待探测区域的部分低含量气体未检测出，此时需重复步骤a)至步骤g)的检测方法，且步骤a)中使用多个激光器(1)，直至完成待探测区域的气体组分及浓度的检测。
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