CN1195215C - 用一台二极管激光器同时测量两种气体的方法 - Google Patents

Abstract

用一台二极管激光器同时测量两种气体的方法，它涉及一种倍频技术和光谱分析技术。其方法是：用一台二极管激光器作为发射源；其输出光用透镜变成平行光后经镀膜镜分成两束光；反射光经过充有被测气体之一的标准池，再聚到探测器上，并输入到计算机中，得到标准气体光谱；透射光汇聚到倍频器上后再使经过倍频器的光变成平行光，使该平行光经过待测气体后通过二色分光镜分光；其反射光经透镜汇聚到探测器上后输入到计算机中，得到一个被测气体光谱；通过分光镜的透射光经过透镜汇聚后再由一个探测器接收，进而得到另一个被测气体光谱；然后进行对比即可测出被测气体的温度、压强和浓度。它解决了目前利用一台二极管激光器只能测量一种气体的问题。

Description

用一台二极管激光器同时测量两种气体的方法

技术领域：

本发明涉及一种倍频技术和光谱分析技术，具体涉及利用一台激光器同时测量两种气体浓度，并且同时确定光路中气体的平均温度和压强的方法

背景技术：

目前，可实现在线气体监测的技术主要有差分吸收光谱(DOAS)技术、激光雷达(LIDAR)技术和二极管激光光谱技术。其中，DOAS技术一般都应用光学参量振荡器作为发射源，而光学参量振荡器的价格昂贵，并且这种技术对分光仪器、探测器件的要求很高，所以导致整套设备的成本非常高。LIDAR技术容易受外界环境的影响，如其测量的精度会随着风速的增加而下降，并且设备的维护费用很高，因此它很少用于对污染气体的实时监测，主要用作污染气体的普查。目前，世界上，已有有关利用二极管激光光谱技术在线监测污染气体浓度的报道，但大都是利用一台二极管激光器测量一种气体浓度，也有同时监测多种气体浓度的，但都要增加相应的二极管激光器的数量。这将使气体浓度在线监测设备的成本增加，而且很难小型化。

发明内容：为解决目前利用一台二极管激光器只能测量一种气体的问题，本发明提供一种用一台二极管激光器同时测量两种气体密度的方法。本发明的具体方法是：用一台二极管激光器1作为发射源；二极管激光器1的输出光首先用一号透镜7变成平行光，然后将上述光经镀膜镜8分成两束光；经镀膜镜8的反射光经过充有被测气体之一的标准池9，再用二号透镜10把通过标准池9的光汇聚到一号探测器11上，一号探测器11将光信号转变成电信号并放大电信号，放大的电信号经一号解调器12输入到计算机13中，得到标准气体光谱；经过镀膜镜8的透射光用三号透镜14汇聚到倍频器15上，然后再用四号透镜16使经过倍频器15的光变成平行光，此时光线已由一种波长的光变成两个波长的光，使该平行光经过待测气体17，使之通过二色分光镜18分光；其反射光经五号透镜19汇聚到二号探测器20上，二号探测器20将光信号转变成电信号并放大电信号，放大的电信号经二号解调器21输入到计算机13中，得到一个被测气体光谱；通过二色分光镜18的透射光经过六号透镜22汇聚后再由一个三号探测器23接收，三号探测器23将光信号转变成电信号并放大电信号，放大的电信号经三号解调器24输入到计算机13中，得到另一个被测气体光谱；通过将上述测得的光谱进行对比测出被测气体的温度、压强和浓度。所述二极管激光器1的温度由温度控制器2控制，其温控范围是8～60℃，控温精度为0.1℃；二极管激光器1的输入电流由电流控制器3控制，其控制范围为0～200mA，控制精度为0.1mA。为实现二极管激光器1的波长调制和提高测量的信噪比，本发明利用一台锯齿波发生器5和一台正弦波发生器6，所述锯齿波发生器5和正弦波发生器6输出信号传给混频器4，混频器4的输出信号传给二极管激光器1的电流控制器3。在光谱测量中，每经过一个锯齿波周期，可同时得到三个光谱，即标准气体光谱a、一个被测气体光谱b和另一个被测气体光谱c。为了获得高的信噪比，要通过多光谱累加(至少要十个光谱)，得到光谱a1、光谱b1和光谱c1。对这三个光谱进行光谱分析：首先通过对光谱a1和光谱b1分析，可以得到双原子分子吸收光谱线的增宽和位移信息，通过增宽量和位移量可以确定待测气体的平均温度T和平均压强P；根据T和P值，将光谱b1中的双原子分子吸收光谱线转变为标准条件下的双原子分子吸收光谱线，并通过峰值测量得到待测气体中双原子分子气体的浓度；然后对光谱c1分析。由前面得到的T、P值，通过软件将光谱c1中其它气体分子的吸收光谱线转变为标准条件下的气体分子吸收光谱线，再通过光谱拟合和分析得到另一种或两种待测气体的浓度。这样即可通过一台二极管激光器同时测量二种或二种以上气体的浓度，并同时测量光路中气体的平均温度和压强，从而提高气体浓度监测的准确性，以及降低开发的气体浓度在线监测仪器的成本。利用该方法开发的气体浓度监测仪器可以用于对燃煤电站排放的燃烧烟气中所包含的气体和粉尘、城市中大气污染气体、以及各种工业生产过程排放的气体实施在线、实时监测。其优点是可以降低仪器成本，并且使设备小型化。

附图说明：

图1是本发明的光路图，图2是具体实施方式二的光路图。

具体实施方式：

具体实施方式一：参阅图1，本实施方式利用一台二极管激光器1作为发射源(其中心波长在400～4000nm范围内)，二极管激光器的温度由温度控制器2控制(温度控制器的控温范围为8℃～60℃，控温精度为0.1℃)；二极管激光器1的输入电流由电流控制器3控制(控制范围为0-200mA，控制精度为0.1mA)。为实现对二极管激光器1输出的激光的波长的调制和为提高测量的信噪比，一台锯齿波发生器5(锯齿波频率可设定在1Hz～100Hz范围内，峰值电压可设定在100-1000mV的范围内)和正弦波发生器6(输出的正弦波的频率可设定在1kHz-100kHz范围内，峰值电压将被设定为锯齿波的峰值电压的1/2-1/3左右)被用于实验之中。其输出的锯齿波和正弦波信号输入到混频器4内，混频器4的输出端与电流控制器3相连，被叠加在控制电流之中。二极管激光器1的输出光首先用一号透镜7变成平行光，经镀膜镜片8(其反射率在5％-20％范围内)变成两束平行光，其反射束平行光经过一个充有一定量的一种双原子分子气体(也必须是被测气体之一)的标准池9(使之处于标准条件下，即压强为1atm、温度为25℃)，用二号透镜10把通过标准池9的光汇聚到一号探测器11上，一号探测器11将光信号转变为电信号并放大电信号，经一号解调器12后输入到微机13，得到光谱a；另一束光用三号透镜14汇聚到倍频器15(例如BBO、KDP晶体等)，三号透镜14聚焦目的是为了提高倍频效率，通过倍频器15后，光束由一个波长的激光变成两个波长的激光(波长分别是λ和λ/2)，再利用四号透镜16使两个波长的光变回平行光。这束平行光经过待测气体17(待测气体包含气体X和另外一种或几种气体)，经过二色分光镜18分光，反射波长为λ，透射波长为λ/2；反射光经五号透镜19会聚到二号探测器20，二号探测器20将光信号转变为电信号并放大电信号，由二号解调器21解调后输入到微机13，得到光谱b；透射光经过六号透镜22，用三号探测器23接收，三号探测器23将光信号转变为电信号并放大电信号，经三号解调器24解调，再把解调后的信号输入到微机13，得到光谱c。

对有些测量情况，则需要将双色平行光耦合到石英光纤的一端，从光纤另一端射出的光由另一透镜变为平行光，使之通过待测气体，再由透镜汇聚到另一光纤的一端，其另一端输出的光再经透镜变为平行光通过二色分光镜。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，下面参阅图2具体说明：通过倍频器15的光经四号透镜16变成平行光之后，再经七号透镜A1耦合到石英光纤A2的一端，从石英光纤A2另一端射出的光再由八号透镜A3变成平行光并使之通过待测气体17，再由九号透镜A5汇聚到另一光纤A6的一端，另一光纤A6的另一端输出的光再经十号透镜A7变为平行光照向二色分光镜18。对有些测量情况，则需要将双色平行光利用七号透镜A1耦合到石英光纤A2的一端，从石英光纤A2另一端射出的光由八号透镜A3变为平行光，使之通过待测气体17，再由九号透镜A5汇聚到另一光纤A6的一端，另一光纤A6的另一端输出的光再经十号透镜A7变为平行光通过二色分光镜18。当二极管激光器1温度升高时，其中心波长增加，因此二极管激光器1的控制温度的确定取决于双原子分子特征吸收光谱线在光谱a1中的位置。充入双原子分子的目的是因为它的特征光谱线窄，在测量时，二极管激光器1的波长调谐范围可以覆盖整个双原子分子的特征吸收光谱线。

Claims (3)

1、用一台二极管激光器同时测量两种气体的方法，其特征在于：用一台二极管激光器(1)作为发射源；二极管激光器(1)的输出光首先用一号透镜(7)变成平行光，然后将上述光经镀膜镜(8)分成两束光；经镀膜镜(8)的反射光经过充有被测气体之一的标准池(9)，再用二号透镜(10)把通过标准池(9)的光汇聚到一号探测器(11)上，一号探测器(11)将光信号转变成电信号并放大电信号，放大的电信号经一号解调器(12)输入到计算机(13)中，得到标准气体光谱；经过镀膜镜(8)的透射光用三号透镜(14)汇聚到倍频器(15)上，然后再用四号透镜(16)使经过倍频器(15)的光变成平行光，此时光线已由一种波长的光变成两个波长的光，使该平行光经过待测气体(17)，使之通过二色分光镜(18)分光；其反射光经五号透镜(19)汇聚到二号探测器(20)上，二号探测器(20)将光信号转变成电信号并放大电信号，放大的电信号经二号解调器(21)输入到计算机(13)中，得到一个被测气体光谱；通过二色分光镜(18)的透射光经过六号透镜(22)汇聚后再由三号探测器(23)接收，三号探测器(23)将光信号转变成电信号并放大电信号，放大的电信号经三号解调器(24)输入到计算机(13)中，得到另一个被测气体光谱；通过将上述测得的光谱进行对比测出被测气体的温度、压强和浓度。

2、根据权利要求1所述的用一台二极管激光器同时测量两种气体的方法，其特征在于利用一台锯齿波发生器(5)和一台正弦波发生器(6)，所述锯齿波发生器(5)和正弦波发生器(6)的输出信号都传给混频器(4)，混频器(4)的输出信号传给二极管激光器(1)的电流控制器(3)。

3、根据权利要求1所述的用一台二极管激光器同时测量两种气体的方法，其特征在于通过倍频器(15)的光经四号透镜(16)变成平行光之后，再经七号透镜(A1)耦合到石英光纤(A2)的一端，从石英光纤(A2)另一端射出的光再由八号透镜(A3)变成平行光并使之通过待测气体(17)，再由九号透镜(A5)汇聚到另一光纤(A6)的一端，另一光纤(A6)输出的光再经十号透镜(A7)变为平行光照向二色分光镜(18)。