CN117451665A - 一种基于腔衰荡光谱的多种气体检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于腔衰荡光谱技术的多种气体检测装置。三个激光器的输出组合进入光切换开关并由其进行切换后，通过相应波长的光隔离器和声光调制器，之后通过准直透镜进入谐振腔。从谐振腔透过的激光由光电探测器接收，生探测信号一路输入给阈值比较系统，生成脉冲信号输入给声光调制器，另一路输入到数据采集系统。本发明实现了多种气体浓度在一个衰荡腔的测量，提高了系统的集成性。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测领域，具体涉及一种基于腔衰荡光谱的多种气体检测装置。
背景技术
激光吸收光谱技术由于其高选择性、小尺寸和快速响应等特点而被广泛应用于气体检测的各个领域。为了提高痕量气体传感的检测能力，开发了使用高精细度光学腔的腔增强光谱技术，大大增加了吸收光程。特别是，腔衰荡光谱技术通过测量光在腔中衰减的时间来计算目标气体的浓度，因此不受激光强度波动的影响，可以实现更高的检测灵敏度。
腔衰荡光谱技术要在一个衰荡腔中实现多种气体的测量，通常采用将单个激光器的波长调谐到每种待测气体的吸收谱线处分别进行测量，然而其中用的宽波长调谐范围的激光器成本高、体积大，系统不易集成。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种新型的基于腔衰荡光谱的多种气体检测装置。
基于上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于腔衰荡光谱的多种气体检测装置，包括第一激光器、第二激光器、第三激光器、光切换开关、光隔离器、声光调制器、第一模式匹配系统、第二模式匹配系统、衰荡腔、光电探测器、阈值比较系统、数据采集系统；
三个激光器的输出组合进入光切换开关并由其进行切换后，通过相应波长的光隔离器和声光调制器，之后通过准直透镜进入谐振腔。从谐振腔透过的激光由光电探测器接收，生探测信号一路输入给阈值比较系统，生成脉冲信号输入给声光调制器，另一路输入到数据采集系统。本发明实现了多种气体浓度在一个衰荡腔的测量，提高了系统的集成性。
进一步的，所述三个激光器的波长对应待测气体的目标吸收谱线。
进一步的，所述光隔离器和声光调制器需要高带宽覆盖三种波长。
进一步的，衰荡腔中反射镜的反射率要大于99.99％，同时具有一定的波长带宽。
进一步的，数据采集卡的采样率通常在MHz量级。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明实现了同一个谐振腔内多种波长的探测，从而无需宽调谐范围的激光器，提高了系统的集成度。
附图说明
图1为基于腔衰荡光谱的多种气体检测装置的示意图。其中，1为第一激光器，2为第二激光器，3为第三激光器，4为光切换开关、5为光隔离器、6为声光调制器、7为第一模式匹配系统、8为衰荡腔、9为第二模式匹配系统、10为光电探测器、11为阈值比较系统、12为数据采集系统。
图2为采集到的信号。
图3为激光频率相对于实测光谱信号与最小二乘拟合的结果。
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晰、完整的描述。同时，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中所有使用“第一”、“第二”以及“第三”的表述均是为了区分三个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，不应理解为对本发明实施例的限定。
参照图1，本发明实施例提供了一种基于腔衰荡光谱的多组分痕量气体检测装置，包括第一激光器1，第二激光器2，第三激光器3，光切换开关4、光隔离器5、声光调制器6、第一模式匹配系统7、衰荡腔8、第二模式匹配系统9、光电探测器10、阈值比较系统11、数据采集系统12。
所述激光器1、2、3的输出通过光切换开关4进行切换后，经由光隔离器5、声光调制器6以及模式匹配透镜7进入衰荡腔8，从谐振腔透过的激光由光电探测器10接收，生成的探测信号一路输入给阈值比较系统11，生成脉冲信号输入给声光调制器6，另一路输入到数据采集系统12。
本实施例中，激光器为分布反馈式半导体激光器，该激光器波长易调谐、输出线宽窄(MHz)、体积小、成本低，是一种优选。三个激光器的输出波长分别在1.56μm、1.57μm与1.65μm，分别对应CO、CO2以及CH4的吸收谱线。
光隔离器的隔离度在目标波段均大于30dB，避免了谐振腔的反射光对激光器输出的影响，同时隔离器两端为光纤接口，使得操作更方便，系统更易于集成化。
衰荡腔中的高反镜为平凹透镜，波长覆盖百nm以上，反射率大于99.99％。更高的反射率能够实现更长的吸收光程，这意味着能够达到更高的测量灵敏度。
阈值比较系统和声光调制器对于激光输出关断的响应时间在ns级，激光的快速关断能够生成干净的e指数信号。
探测器为InGaAs-PIN光电二极管，接收透过谐振腔的光信号，通过高增益的放大电路将生成的微弱电信号放大。采集卡能够实现1MHz的高速采样，将得到的衰荡信号数字化。
探测器测得的信号如图2所示，得到的衰荡信号进行e指数拟合，得到衰荡时间τ，而气体的吸收系数α则可以根据以下公式进行计算：
其中c为光速，τ0为空腔的衰荡时间。
图3为激光频率相对于实测光谱信号与最小二乘拟合的结果，其中散点图为实测的光谱信号所示，实线图为拟合的结果。根据气体吸收Lambert-Beer定律：
α(ν)＝PXiSφ(ν)
其中P是腔内气体压力，X是待测气体的浓度，S是分子的吸收线强，φ(ν)为吸收的线型函数，根据线型函数拟合光谱数据，最终得到气体的积分吸光度，从而根据测量的气体总压力以及数据库中查询得到的吸收线强计算出相应的气体浓度。
对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于腔衰荡光谱的多种气体检测装置，其特征在于，包括第一激光器、第二激光器、第三激光器、光切换开关、光隔离器、声光调制器、第一模式匹配系统、第二模式匹配系统、衰荡腔、光电探测器、阈值比较系统、数据采集系统；
三个激光器的输出组合进入光切换开关并由其进行切换后，通过相应波长的光隔离器和声光调制器，之后通过准直透镜进入谐振腔。从谐振腔透过的激光由光电探测器接收，探测信号一路输入给阈值比较系统，生成脉冲信号输入给声光调制器，另一路输入到数据采集系统。
2.据权利要求1所述的基于腔衰荡光谱的多种气体检测装置，其特征在于，所述三个激光器的波长对应待测气体的目标吸收谱线。
3.根据权利要求1所述的基于腔衰荡光谱的多种气体检测装置，其特征在于，所述光隔离器和声光调制器需要高带宽覆盖三种波长。
4.据权利要求1所述的基于腔衰荡光谱的多种气体检测装置，其特征在于，衰荡腔中反射镜的反射率要大于99.99％，同时具有一定的波长带宽。
5.据权利要求1所述的基于腔衰荡光谱的多组分痕量气体检测装置，其特征在于，数据采集卡的采样率通常在MHz量级。
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