CN114965358A - 基于单个探测器的多组分气体同步免校正检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于单个探测器的多组分气体同步免校正检测装置及方法，涉及激光光谱技术和气体检测领域，包括：可调谐激光器阵列、耦合器、准直器、聚焦透镜、样品池、光电探测器、数据采集卡、激光器阵列控制器、计算机控制单元。本发明以可调谐激光器阵列作为不同分子的吸收光谱信号激发光源，结合分子谱线加宽效应、最佳采样压力探测和最佳光谱采样策略，可用于三个及以上气体“免校正”和“无时间滞后”同步分析测量。本发明采用单个气体池和探测器，整体结构简洁紧凑，体积小，重量轻和功耗低，有利于便携式多组分气体传感器的小型化集成和开发，具有成本低、实用性强和应用范围广等优点。
Description
技术领域
本发明涉及激光光谱技术和气体检测领域，具体为基于单个探测器的多组分气体同步免校正检测装置及方法。
背景技术
激光吸收光谱因其高灵敏、高分辨、高选择性和非破坏性等优势，而被广泛应用于环境监测、国防公共安全、工业过程控制、航天航空、生物医学等众多学科领域。以上所述各种领域实际应用中，多组分气体的同时监测，可为精准识别各成分之间的关联性提高可靠的参考依据。激光吸收光谱是一种基于分子具有的独特“指纹吸收谱”实现分子成分定量分析和定性识别的分析技术，然而实现低浓度气体成分的高灵敏检测还大程度上依赖选择分子的强吸收谱线。鉴于不同分子的谱线分布特性各异，以及各种激光光源连续可调谐波长输出范围的限制，通常一个激光光源只能满足单个分子的光谱检测，尤其是强吸收谱线的选择时，考虑到光谱系统体积、重量、功耗和成本等限制因素，要实现多个气体组分的同时高灵敏度检测仍具有很高的挑战性。
针对上述激光光谱多组分气体同时测量技术中面临的关键技术问题，现有研究采用的解决方案主要是时分复用和频分复用探测技术。前者主要是通过时间上的先后顺序设定每个激光光谱波长输出，避免直接吸收光谱发生交叉干扰，显然时间上的“滞后”将引起光谱数据时间分辨率的降低，尤其是3个及以上分子同时测量时，此方案很难满足高时空分辨率数据要求。后者的基本原理是通过高频调制和解调策略，采用不同调制频率对每个分子的光谱进行调制，从而实现各个分子光谱信号在频域上的分开，调制解调过程使得此探测方法从直接吸收光谱变成波长调制光谱，不再具有直接吸收光谱所具有的“免校正”优势，尤其是外场应用中需要频繁的校正才能保证长时间测量的稳定性和重复性。
为此，本专利提出基于单个探测器的多组分气体同步免校正检测装置及方法，利用分子的压力加宽效应、最佳采样压力探测和最佳光谱采样策略，结合可调谐激光器阵列和直接吸收光谱探测技术，可用于多组分气体“免校正”和“无时间滞后”同步分析测量。相比于传统方式中采用的时分复用和频分复用探测技术，及多个探测器相结合的多组分光谱探测系统，具有整体结构更简洁紧凑，时间分辨率高，体积小、重量轻和成本更低，在开发小型化、低功耗、轻便型多组分气体传感器和应用领域具有重要的实用价值。
发明内容
针对多组分气体成分同时测量在众多领域的重要性和现有多组分气体同时测量的光谱技术中的不足之处，本发明提出基于单个探测器的多组分气体同步免校正检测装置。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是按以下方式实现的：
基于单个探测器的多组分气体同步免校正检测装置，其特征在于，包括：可调谐激光器阵列、耦合器、准直器、气体池、聚焦透镜、光电探测器、数据采集卡、可调谐激光器阵列控制器、计算机控制单元；
所述计算机控制单元的信号输出端与数据采集卡连接；所述数据采集卡具有多个模拟输入通道和数字输出通道，模拟输入通道用于光电探测器的信号输入，数字输出通道用于将计算机控制单元产生的模拟驱动信号转换成数字信号后输入到可调谐激光器阵列控制器；所述可调谐激光器阵列控制器将数据采集卡输出的驱动电压信号转换成电流信号并输入到可调谐激光器阵列，用于驱动激光器阵列中各个波长激光器的同步发光输出；
所述可调谐激光器阵列输出的多路激光与耦合器的输入端连接；所述耦合器将各路光束耦合成单路，其输出端与准直器连接；所述准直器将耦合器输出的激光束准直输出到气体池；所述气体池内充有待检测的气体样品，并通过压力控制器使其处于小于1个大气压下的低压状态，压力大小设置取决于待检测分子数和光谱展宽特性，典型的以三个分子同时分析为例时，可选择100-500mbar之间，激光光束穿过气体池之后到达聚焦透镜；所述聚焦透镜将出射光聚焦到光电探测器；所述光电探测器用于光信号检测，实现光电转化，并将其输入到数据采集卡；所述数据采集卡的模拟输入通道与可调谐激光器阵列控制器相连接，数字输出通道与计算机控制单元相连接；所述计算机控制单元包括上位机软件控制模块和信号分析模块，信号分析模块对模拟输入通道将输入的模拟信号转换成数字信号，并进行实时分析处理和保存；上位机软件控制模块将模拟产生的激光器驱动信号输入到采数据集卡的输入通道，再输入到可调谐激光器阵列控制器，最后输入给可调谐激光器阵列控制器并驱动各个激光器同步发射出激光。
进一步地，所述可调谐激光器阵列由多个可调谐激光器组合而成，可在不同中心波长范围输出激光，各个激光器中心波长依据待检测气体分子具有的指纹吸收光谱范围而选择。如水汽(H2O)、乙炔(C2H2)、二氧化碳(CO2)/一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)对应的近红外光谱分别为1.39微米、1.55微米、1.58微米和1.65微米等。
进一步地，当可调谐激光器皆为光纤输出型激光器，所述耦合器为n×1型光纤耦合器，n为可调谐激光器个数；当可调谐激光器为非光纤输出型激光器，所述耦合器为多个抛物面镜组合成的光束耦合系统，包括用于每个激光器光束匹配反射的抛物面镜和1个合束抛物面镜，总数为n+1个，第一个激光器匹配的抛物面镜轴心为实心，其他激光器匹配的抛物面镜轴心皆开有通光孔，用于其后面激光器光束的入射通过，所有激光束通过各自匹配的抛物面镜90度反射成同轴光束，最后通过合束抛物面镜反射聚焦整合成一束光束。
进一步地，所述气体池的类型可以是单通型或多次反射型，可依据检测灵敏的需要而选择；气体池工作在低压状态，典型压力范围可设定在100-500mbar范围，最佳化压力设定需要结合待测分子组分数和谱线的压力加宽效应，总体原则是，气体总压力、每个激光器波长调谐范围、总数据采样点数和每个分子吸收谱线占据采样点比例之间进行最优化折中选择，保证每个分子的谱线吸收轮廓之间没有重叠干扰。
进一步地，所述光电探测器波长响应范围可同时覆盖可调谐激光器阵列波长输出范围。
进一步地，在激光器波长调谐范围内，每个分子的吸收轮廓采样位置和先后顺序不固定，可任意选择，只要保证每个分子的吸收轮廓两翼留有足够的基线，分子间不发生吸收区域重叠即可。
进一步地，所述计算机控制单元包括软件编写的数字信号输出模块和采集信号分析处理模块，数字信号输出模块主要包括用于驱动激光器波长调谐的三角波或锯齿波，及用于激光波长调制的正弦波或方波，信号输出模块通道数取决于待检测分子的种类数。
基于单个探测器的多组分气体同步免校正检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
[01]数据采集卡的数字输出通道将计算机控制单元产生的低频三角波信号输出到可调谐激光器阵列控制器，可调谐激光器阵列控制器将数据采集卡输出的电压信号转换成电流信号并输入到可调谐激光器阵列，实现各个可调谐激光器的波长连续同步输出以产生直接吸收光谱信号；计算机控制单元产生的低频三角波信号叠加高频正弦波再输出到可调谐激光器阵列控制器时；所实现各个可调谐激光器的波长连续同步输出产生的信号为波长调制光谱信号；
[02]可调谐激光器阵列同步输出的多路激光与耦合器输入端连接，耦合器将各路光束耦合成一路同轴光束，再由准直器将耦合后的光束准直输出到气体池，入射光在气体池内与待检测分子发生相互作用的吸收过程；
[03]气体池出射光由聚焦透镜聚焦后输入到光电探测器收集实现光电转化；
[04]光电探测器输出的电压信号输入到数据采集卡，数据采集卡将输入的模拟信号转换成数字信号，输入至计算机控制单元中的信号分析模块；计算机控制单元中的信号分析模块对获取的光谱信号进行实时分析处理和保存。
本发明的优点是：
本发明以“免校正的直接吸收光谱”为气体检测基本原理，多个可调谐激光器组成的阵列作为不同分子的光谱信号激发光源，结合分子吸收谱线的加宽效应、最佳化采样压力和光谱数据采集范围，实现多组分气体分子在无相互串扰、不降低时间响应率的条件下同步免校正检测分析。该发明仅采用单个光电探测器和气体池，使得光谱系统整体结构简洁紧凑，体积、重量、功耗和成本等方面显著降低，有利于便携式多组分气体传感器的小型化集成和开发，具有成本低、实用性强和应用范围广等优点。
附图说明
图1为基于单个探测器的多组分气体同步免校正检测装置及方法实施例的结构示意图。
图中：可调谐激光器阵列1、耦合器2、准直器3、气体池4、聚焦透镜5、光电探测器6、数据采集卡7、可调谐激光器阵列控制器8、计算机控制单元9。
图2为传统的时分复用和频分复用探测方式与本发明实施例中同步探测方案对比示意图。
图3为本发明实施例中同步测量的CH4,CO2和H2O三个分子吸收光谱图。
图4为本发明实施例中用于非光纤输出型激光器阵列的光束耦合器系统示意图。
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。
实施例1。
基于单个探测器的多组分气体同步免校正检测装置，其包括：可调谐激光器阵列1、耦合器2、准直器3、气体池4、聚焦透镜5、光电探测器6、数据采集卡7、可调谐激光器阵列控制器8、计算机控制单元9；
计算机控制单元9的信号输出端与数据采集卡7连接；数据采集卡7具有多个模拟输入通道和数字输出通道，模拟输入通道用于光电探测器6的信号输入，数字输出通道用于将计算机控制单元9产生的模拟驱动信号转换成数字信号后输入到可调谐激光器阵列控制器8；可调谐激光器阵列控制器8将数据采集卡7输出的驱动电压信号转换成电流信号并输入到可调谐激光器阵列1，用于驱动激光器阵列1中各个波长激光器的同步发光输出；
可调谐激光器阵列1输出的多路激光与耦合器2的输入端连接；耦合器2将各路光束耦合成单路同轴光束，其输出端与准直器3连接；准直器3将耦合器输出的激光束准直输出到气体池4；气体池4内充有待检测的气体样品，并通过压力控制器使其处于小于1个大气压下的低压状态，压力大小设置取决于待检测分子数和光谱展宽特性，典型的以三个分子同时分析为例时，可选择100-500mbar之间，激光光束穿过气体池4之后到达聚焦透镜5；聚焦透镜5将出射光聚焦到光电探测器6；光电探测器6用于光信号检测，实现光电转化，并将其输入到数据采集卡7；数据采集卡7的模拟输入通道与可调谐激光器阵列控制器8相连接，数字输出通道与计算机控制单元9相连接；计算机控制单元9包括上位机软件控制模块和信号分析模块，信号分析模块对模拟输入通道将输入的模拟信号转换成数字信号，并进行实时分析处理和保存；上位机软件控制模块将模拟产生的激光器驱动信号输入到采数据集卡7的输入通道，再输入到可调谐激光器阵列控制器8，最后输入给可调谐激光器阵列控制器1并驱动各个激光器同步发射出激光。
进一步地，可调谐激光器阵列1由多个可调谐激光器组合而成，可在不同中心波长范围输出激光，各个激光器中心波长依据待检测气体分子具有的指纹吸收光谱范围而选择。如水汽(H2O)、乙炔(C2H2)、二氧化碳(CO2)/一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)对应的近红外光谱分别为1.39微米、1.55微米、1.58微米和1.65微米等。
进一步地，当可调谐激光器皆为光纤输出型激光器，耦合器2为n×1型光纤耦合器，n为可调谐激光器个数；当可调谐激光器为非光纤输出型激光器(如量子级联激光器等)，耦合器2为多个抛物面镜合成的光束耦合系统，包括用于每个激光器光束匹配反射的抛物面镜和1个合束抛物面镜，总数为n+1个，第一个激光器匹配的抛物面镜轴心为实心，其他激光器匹配的抛物面镜轴心皆开有通光孔，用于其后面激光器光束的入射通过，所有激光束通过各自匹配的抛物面镜90度反射成同轴光束，最后通过合束抛物面镜反射聚焦整合成一束光束，具体如图4所示。
进一步地，气体池4的类型可以是单通型或多次反射型，可依据检测灵敏的需要而选择；气体池4工作在低压状态，典型压力范围可设定在100-500mbar范围，最佳化压力设定需要结合待测分子组分数和谱线的压力加宽效应，总体原则是，气体总压力、每个激光器波长调谐范围、总数据采样点数和每个分子吸收谱线占据采样点比例之间进行最优化折中选择，保证每个分子的谱线吸收轮廓之间没有重叠干扰。
进一步地，光电探测器6波长响应范围可同时覆盖可调谐激光器阵列波长输出范围。
进一步地，在激光器波长调谐范围内，每个分子的吸收轮廓采样位置和先后顺序不固定，可任意选择，只要保证每个分子的吸收轮廓两翼留有足够的基线，分子间不发生吸收区域重叠干扰即可，如图3所示。
进一步地，计算机控制单元9包括软件编写的数字信号输出模块和采集信号分析处理模块，数字信号输出模块主要包括用于驱动激光器波长调谐的三角波或锯齿波，及用于激光波长调制的正弦波或方波，信号输出模块通道数取决于待检测分子的种类数。
基于单个探测器的多组分气体同步免校正检测方法，适用于上述基于单个探测器的多组分气体同步免校正检测装置，其包括以下步骤：
[01]数据采集卡7的数字输出通道将计算机控制单元9产生的低频三角波信号输出到可调谐激光器阵列控制器8，可调谐激光器阵列控制器8将数据采集卡7输出的电压信号转换成电流信号并输入到可调谐激光器阵列1，实现各个可调谐激光器的波长连续同步输出以产生直接吸收光谱信号，如图2所示；计算机控制单元9产生的低频三角波信号叠加高频正弦波再输出到可调谐激光器阵列控制器8时；所实现各个可调谐激光器的波长连续同步输出产生的信号为波长调制光谱信号；
[02]可调谐激光器阵列输出的多路激光与耦合器2输入端连接，将各路光束耦合成1路同轴光束，再由准直器3将耦合后的光束准直输出到气体池4，入射光在气体池4内发生相互作用的吸收过程；
[03]气体池4出射光由聚焦透镜5聚焦后输入到光电探测器6收集实现光电转化；
[04]光电探测器6输出的电压信号输入到数据采集卡7，数据采集卡7将输入的模拟信号转换成数字信号，输入至计算机控制单元9中的信号分析模块；计算机控制单元9中的信号分析模块对获取的光谱信号进行实时分析处理和保存。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于单个探测器的多组分气体同步免校正检测装置，其特征在于，包括：可调谐激光器阵列(1)、耦合器(2)、准直器(3)、气体池(4)、聚焦透镜(5)、光电探测器(6)、数据采集卡(7)、可调谐激光器阵列控制器(8)、计算机控制单元(9)；
所述计算机控制单元(9)的信号输出端与数据采集卡(7)连接；所述数据采集卡(7)具有多个模拟输入通道和数字输出通道，模拟输入通道用于光电探测器(6)的信号输入，数字输出通道用于将计算机控制单元(9)产生的模拟驱动信号转换成数字信号后输入到可调谐激光器阵列控制器(8)；所述可调谐激光器阵列控制器(8)将数据采集卡(7)输出的驱动电压信号转换成电流信号并输入到可调谐激光器阵列(1)，用于驱动激光器阵列(1)中各个波长激光器的同步发光输出；
所述可调谐激光器阵列(1)输出的多路激光与耦合器(2)的输入端连接；所述耦合器(2)将各路光束耦合成单路，其输出端与准直器(3)连接；所述准直器(3)将耦合器输出的激光束准直输出到气体池(4)；所述气体池(4)内充有待检测的气体样品，并通过压力控制器使其处于小于1个大气压下的低压状态，压力大小设置取决于待检测分子数和光谱展宽特性，激光光束穿过气体池(4)之后到达聚焦透镜(5)；所述聚焦透镜(5)将出射光聚焦到光电探测器(6)；所述光电探测器(6)用于光信号检测，实现光电转化，并将其输入到数据采集卡(7)；所述数据采集卡(7)的模拟输入通道与可调谐激光器阵列控制器(8)相连接，数字输出通道与计算机控制单元(9)相连接；所述计算机控制单元(9)包括上位机软件控制模块和信号分析模块，信号分析模块对模拟输入通道将输入的模拟信号转换成数字信号，并进行实时分析处理和保存；上位机软件控制模块将模拟产生的激光器驱动信号输入到采数据集卡(7)的输入通道，再输入到可调谐激光器阵列控制器(8)，最后输入给可调谐激光器阵列控制器(1)并驱动各个激光器同步发射出激光。
2.根据权利要求1所述的基于单个探测器的多组分气体同步免校正检测装置，其特征在于，所述可调谐激光器阵列(1)由多个可调谐激光器组合而成，可在不同中心波长范围输出激光，各个激光器中心波长依据待检测气体分子具有的指纹吸收光谱范围而选择。
3.根据权利要求2所述的基于单个探测器的多组分气体同步免校正检测装置，其特征在于，当可调谐激光器皆为光纤输出型激光器，所述耦合器(2)为n×1型光纤耦合器，n为可调谐激光器个数；当可调谐激光器为非光纤输出型激光器，所述耦合器(2)为多个抛物面镜组合成的光束耦合系统，包括用于每个激光器光束匹配反射的抛物面镜和1个合束抛物面镜，总数为n+1个，第一个激光器匹配的抛物面镜轴心为实心，其他激光器匹配的抛物面镜轴心皆开有通光孔，用于其后面激光器光束的入射通过，所有激光束通过各自匹配的抛物面镜90度反射成同轴光束，最后通过合束抛物面镜反射聚焦整合成一束光束。
4.根据权利要求3所述的基于单个探测器的多组分气体同步免校正检测装置，其特征在于，所述气体池(4)的类型可以是单通型或多次反射型，可依据检测灵敏的需要而选择；气体池(4)工作在低压状态，典型压力范围可设定在100-500mbar范围。
5.根据权利要求4所述的基于单个探测器的多组分气体同步免校正检测装置，其特征在于，所述光电探测器(6)波长响应范围可同时覆盖可调谐激光器阵列波长输出范围。
6.根据权利要求5所述的基于单个探测器的多组分气体同步免校正检测装置，其特征在于，在激光器波长调谐范围内，每个分子的吸收轮廓采样位置和顺序不固定，可任意选择，只要保证每个分子的吸收轮廓两翼留有足够的基线，分子间不发生吸收区域重叠即可。
7.根据权利要求6所述的基于单个探测器的多组分气体同步免校正检测装置，其特征在于，所述计算机控制单元(9)包括软件编写的数字信号输出模块和采集信号分析处理模块，数字信号输出模块主要包括用于驱动激光器波长调谐的三角波或锯齿波，及用于激光波长调制的正弦波或方波，信号输出模块通道数取决于待检测分子的种类数。
8.基于单个探测器的多组分气体同步免校正检测方法，适用于权利要求1-7任一所述的基于单个探测器的多组分气体同步免校正检测装置，其特征在于，包括以下步骤：
[01]数据采集卡(7)的数字输出通道将计算机控制单元(9)产生的低频三角波信号输出到可调谐激光器阵列控制器(8)，可调谐激光器阵列控制器(8)将数据采集卡(7)输出的电压信号转换成电流信号并输入到可调谐激光器阵列(1)，实现各个可调谐激光器的波长连续同步输出以产生直接吸收光谱信号；计算机控制单元(9)产生的低频三角波信号叠加高频正弦波再输出到可调谐激光器阵列控制器(8)时；所实现各个可调谐激光器的波长连续同步输出产生的信号为波长调制光谱信号；
[02]可调谐激光器阵列同步输出的多路激光与耦合器(2)输入端连接，耦合器(2)将各路光束耦合成1路同轴光束，再由准直器(3)将耦合后的光束准直输出到气体池(4)，入射光在气体池(4)内与待检测分子发生相互作用的吸收过程；
[03]气体池(4)出射光由聚焦透镜(5)聚焦后输入到光电探测器(6)收集实现光电转化；
[04]光电探测器(6)输出的电压信号输入到数据采集卡(7)，数据采集卡(7)将输入的模拟信号转换成数字信号，输入至计算机控制单元(9)中的信号分析模块；计算机控制单元(9)中的信号分析模块对获取的光谱信号进行实时分析处理和保存。
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