CN1305098A - 用于气体检测的低频电压调制光谱的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
用于气体检测的低频电压调制光谱的方法和装置属于光谱检测技术。采用低频正弦电压控制外腔式激光器后镜(3)、反馈光栅(2)的旋转或施与机械斩波器(17),以锯齿波(6)或三角波电压(21)为扫频信号,解调被测气体的吸收光谱,根据优选所得高次谐波的峰值变化与被测气体浓度成正比的关系进行定量测定。有效地扣除了背景噪声,分辨率高,最小探测吸收率达10－6,可应用于工业气体监控和环境大气中有害气体的在线监测。
Description
本发明属于光谱检测技术，主要涉及对气体的测量方法及相应设备。
公知电流调制光谱检测技术已成为一种工业气体监控及环境大气的在线监测的重要手段。这种方法会导致一定深度的振幅调制，造成较大的能量起伏，从而限制了测量的高灵敏度。且工作中波长的不连续变化会影响测量结果，同时所需处理设备亦显昂贵。
本发明的目的是提出一种高分辨、高灵敏、使用方便的用于气体检测的低频电压调制光谱的方法和装置的技术方案。
本发明目的中的方法部分是这样实现的，用于气体检测的低频电压调制光谱法包括以调制和扫频的单色光通过待检测气体，接收被检测气体的吸收光谱信号，按工作要求处理分析。其中，所述调制采用低频正弦电压控制激光器外腔后镜、反馈光栅的旋转或施于机械斩波器的方法。这种低频电压调制的方法可以得到无跳模、能量起伏较小的连续输出，并可为检测信号的后续处理提供有益的基础，以改善检测质量；从而使本发明的目的得以实现。
本发明所述低频电压调制方法是把输入的正弦电压施加到外腔式激光器谐振腔后镜或外腔的反馈光栅的压电陶瓷上，通过控制其旋转实现波长的连续调制，这是外腔式激光器较普遍的工作方式。
本发明所述低频电压调制方法还可以是把输入的低频正弦电压施加在机械斩波器的控制端上，通过斩波调制得到所需的激光输出。
本发明在所述调制过程中还对外腔式激光器施加频率远低于调制信号的扫频信号，这是产生扫描输出的激光波长连续变化的方法。
本发明所述扫频信号为锯齿波或三角波电压，这是产生激光波长连续线性变化的方法。
本发明所述处理分析使用的是所得吸收光谱的谐波信号，这是消除连续背景噪声的方法。
本发明所述处理分析中含针对不同被测气体、不同应用场合，对由调制信号的不同倍频解调后的谐波信号的信噪比或分辨率进行优选分析、决定所用最佳探测谐波的内容，使本方法能够适用于多种不同形式的气体检测。
本发明目的中的设备部分是这样实现的，低频电压调制光谱装置包括，二极管激光器，接收到调制吸收光谱的光电探测器，对探测信号进行解调作用的相关器，处理相关器输出数据的计算机，以及控制执行上述相应工作的各种辅助光、电机构和联接固定与调节部件。其中，所述二极管激光器为外腔式结构，当采用合成器时，还设有低频正弦电压发生器和频率远低于调制信号的函数信号发生器，由合成器分别与其输出端相联、并将所得合成信号施加到外腔式激光器谐振腔后镜或外腔的反馈光栅的压电陶瓷的电压控制端上；当所述激光器采用机械斩波器调制时，则以低频正弦电压与机械斩波器的控制器相联，以函数信号发生器的输出耦合到二极管激光器压电陶瓷的电压控制端。这样，激光器在所需信号作用下，皆可输出带有扫频和调制的检测光，从而完成对本发明所需光源的生成，实现了发明目的中的设备内容。
本发明所述函数信号发生器输出的是锯齿波或三角波电压信号，其所起作用是使激光器的波长缓慢线性扫描通过被测气体的电子跃迁位置，以保证完整地探测和处理调制吸收光谱。
本发明还含有输入端与所述正弦信号发生器相联、输出端与所述相关器相联的可调倍频器，以提供相关检测时供优选谐波的参考信号。
本发明采用将低频电压施于控制激光器外腔的后镜、反馈光栅旋转的压电陶瓷上或机械斩波器上，以锯齿波或三角波电压为激光输出的扫频信号，对由调制信号的不同倍频解调后所得谐波信号的信噪比进行优选分析、决定所用最佳探测谐波的内容，及其相应设备，可以得到无跳模、能量起伏较小的连续激光输出，从而有效地消除了连续背景噪声，提高了检测气体微弱吸收谱线的分辨率，其最小吸收探测灵敏度达到10-6，可应用于工业气体监控以及环境或大气中的有害气体的在线监测。
附图给出了本发明实施例的结构示意和测量结果。
图1是用于铯蒸汽测量的调制光谱装置结构图；
图2是用于铯蒸汽测量的二次、四次及六次谐波信号与相应的背景噪声的对比；
图3是用于铯蒸汽测量的二次、四次及六次谐波信号与直接吸收线的对比；
图4是以斩波调制激光进行氧气含量测量的调制与扫描部分结构图；
图5是大气压下的氧气含量气压与四次谐波峰值的对应关系。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
在图1和4中：1二极管激光非曲直2反馈光栅3后镜4旋转支点5压电陶瓷的电压控制端6锯齿波信号发生器(HP33120A)7正弦信号发生器8合成器9铯蒸汽10光电二极管(2CU2E)11相关器(SR530)12计算机13可调倍频器14、15、16倍频器17机械斩波器18机械斩波器的控制器19机械斩光盘20氧气池21三角波信号发生器
第一实施例是用于高灵敏测量铯蒸汽的场合的情况。
本例设备由二极管激光器及其调制系统、光电探测器、相关器和计算机组成。
本例装置可参见图1，单色光源是美New Focus公司6017型的外腔式二极管激光器1、2、3、5，以输出1kHz正弦波调制信号的正弦信号发生器7和产生1Hz锯齿波的美HP公司33120A型函数信号发生器6的输出分别与合成器8相联，合成器的输出施加到外腔式激光器谐振腔控制后镜旋转的压电陶瓷的电压控制端5上。光电探测器10的输出与相关器(美国SR530)11相联，同时发生器7的输出还经可调倍频器13倍频输出后与相关器11相联，计算机12处理来自相关器11的谐波信号，得出检测结果。另外还有控制执行相应工作的各种辅助光路和联接固定部件。以上为本例主要结构的描述。
外腔式二极管激光器是采用外腔的后镜与激光二极管的一个端面构成谐振腔的，中间插入一个反射光栅；也可以用反射光栅直接代替谐振腔的另一个反射镜来构成。利用光栅的色散分光作用，将二极管激光器发出的不同波长的光束在空间分离，然后只使很窄波长区域的光束在腔内形成振荡，其它波长的光束因不具反馈能力而被抑制。当适当转动后镜或光栅的角度位置，可以改变所需要的振荡模式。后镜或光栅的转动是利用压电陶瓷来控制的，由于机械部件的作用，决定了这种通过电压调谐激光波长的方法只能在低频下工作。
合成器8由三个50欧姆的电阻采用三角形接法构成的。当在任意两端分别施加上正弦信号发生器7输出的正弦波信号和函数信号发生器6输出的锯齿波时，其第三端产生输出两输入信号幅值减小一半后叠加而成的合成信号。
可调倍频器13采用三个公知的倍频电路串接而成，以提供用于相关检测的参考信号。
由普通光电二极管(2CU2E)构成的光电探测器10接收到调制吸收光谱后送入相关器11与调制正弦波倍频器13的输出信号进行相关。如果选择调制正弦波的二次倍频信号2f(这里f为调制频率)进行相关检测，得到二次谐波光谱；如果用调制正弦波的四次倍频信号4f相关检测，得到四次谐波光谱，依次类推。用计算机12从相关器的输出通道采集数据并进行处理，记录高次谐波光谱，根据高次谐波峰值的变化与气体的浓度成正比的关系可以进行定量测定。本发明所述谐波信号的探测指的是偶次谐波，即S2f、S4f、S6f、S8f等，这是由于直接吸收信号(无调制)的峰值与偶次谐波的峰值位置一致，从而便于分析。但是直接吸收信号的峰值对应奇次谐波的探测却是零点，在本发明中不予考虑。在应用过程中，选择哪一种高次谐波(如S2f、S4f、S6f、S8f)进行探测取决于激光器的频率调谐范围和信噪比。虽然高次谐波得到的光谱信号较直接探测的吸收信号小，但是背景噪声由于与调制正弦波的非相关性而衰减的更多，从而有效地消除了背景噪声，提高了信噪比。但并不是越高次的谐波得到的信噪比越高，这是因为背景噪声在更高次的探测中几乎保持不变。选择哪一种高次谐波(从最佳信噪比或分辨率的角度出发)应该由实验测定后才能确定。
在φ20×30的石英样品池中抽真空至133.3×10-6Pa后充以纯金属铯，以铯原子饱和蒸汽作为被测气体。铯原子蒸汽在室温及超低压状态下的吸收信号呈现高斯线型，即主要受温度展宽所影响，D2线(未饱和)的谱线线宽约为500MHz。
函数信号发生器产生的1Hz慢扫锯齿波电压作为扫描信号，其所起作用是当激光器1的波长在进行低频调制的同时，缓慢线性扫描通过被测气体的电子跃迁位置，以保证完整地探测和处理调制吸收光谱；该扫描信号与调制信号合成后送入激光器的电压调制输入口，叠加到预置直流偏压上实现对输出光波长的调制和扫描。把相关器的积分时间固定在30ms，保证吸收光谱完整记录并能定量分析。测量过程中把探测的背景信号作噪声，以谐波信号作信息，测量各种不同条件下的信噪比结果，进行最佳信噪比分析。通过计算机与数字锁相的数字化通信实现数据的采集和处理。
使用前，按检测场合的具体情况安置设备的发射与接收部分。工作时，外腔式二极管激光器的工作温度为26℃，固定输入电流55mA，输出功率为8.5mw。当施加在后镜的压电陶瓷上的电压在0-110v变化时激光输出波长范围在75GHz，而且短时间内的线宽小于300kHz(50ms内)。本例压电陶瓷的预置直流偏压为95v左右，激光输出的中心波长为852.11nm(空气中)，对应于铯原子D2线的电子跃迁。
图2中，2(a)、4(a)和6(a)表示探测到的二次、四次及六次谐波信号。对应2(b)、4(b)和6(b)记录的是在去掉样品后得到的二次、四次及六次谐波信号，表示能量起伏对谐波信号产生的背景信号。这些背景信号作为基准决定了测量结果的下限。由本例可见，谐波次数越高，背景信号即噪声越小，同时谐波信号也有一定程度的减小。对于高斯吸收谱线，对应于二次、四次及六次谐波探测调制度m(调制深度/吸收谱线宽度)的最佳值分别为2.1,3.6,5.2。本例测得当m=2.1时，二次谐波探测的信噪比SNR=80；当m=3.6时，四次谐波探测的SNR=300；在m=5.2时，六次谐波探测的SNR=460。对于多谱勒吸收线，由图2可以计算出二次、四次及六次谐波探测的最小探测吸收率分别为2.5×10-5,7.0×10-6，和4.0×10-6。本例通过电压调制和谐波探测有效地消除了连续背景噪声，提高了检测气体微弱吸收谱线的灵敏度。
波长调制和谐波探测的方法提高了测量的信噪比，但是得到的是探测器的原输出信号经过数学转换并且产生了调制展宽的信号，这种调制展宽限制了高分辨率光谱的获得。图3为在固定的调制深度系数m=2.1的条件下，获得的二次、四次及六次谐被展宽光谱信号与铯原子D2线的对比。结果表明，二次谐波探测产生的调制展宽最大，谐波次数越高，调制展宽越小。相应二次、四次及六次谐波的中心峰展宽比率约为16∶6∶1。可见用高于二次谐波的较高次谐波探测微弱信号可以获得较高的分辨率。六次谐波探测的调制展宽(中心峰)接近直接吸收信号的线宽，可用来测量光谱的精细结构以及进行吸收谱线邻近的两种气体的痕量分析。
在本例中六次谐波探测技术是最好的。二次谐波信号有很高的信号峰值，却也存在着很高的背景噪声，调制展宽最大；六次以上的高次谐波探测，虽然没有更高的背景噪声，但是信号的峰值变得很低，并且需要更大的频率调谐范围，不利于探测和分析。
这种调制与检测方法适合于所有转动后镜的Littman型和或转动光栅Littrow型结构的外腔式二极管激光器。
第二实施例用于测量大气压下氧气含量的场合。
本实施例所述低频电压调制方法是把输入的调制电压经过放大后，施加在机械斩波器的控制器18上，以通过斩波调制得到所需的激光输出。此时以三角波电压信号发生器21的输出耦合到二极管激光器压电陶瓷的电压控制端，见图4。
外腔式二极管激光器(1、2、4)采用德国产DL100型，输出激光的中心波长为760.7nm(空气中)，对应于氧气的A段电子跃迁。被测气体为大气压下不同含量的氧气。氧气在室温及大气压状态下的吸收线宽约为3GHz。
本实施中，四次谐波探测技术的信噪比最高，所以选择四次谐波进行探测。如图5所示，空气中的氧气含量气压对应四次谐波峰值有良好的线性关系。
Claims (14)
1．用于气体检测的低频电压调制光谱法包括，以调制和扫频的单色光通过待检测气体，接收被检测气体的吸收光谱信号，按工作要求处理分析；其特征在于：所述调制采用将低频正弦电压施于激光器外部的后镜、反馈光栅或机械斩波器的方法。
2．如权利要求1所述方法，其特征在于：所述低频电压调制方法是把输入的正弦电压施加到外腔式激光器谐振腔后镜或外腔的反馈光栅的压电陶瓷上。
3．如权利要求1所述方法，其特征在于：所述低频电压调制方法是把输入的低频正弦电压施加在机械斩波器的控制器上。
4．如权利要求1、2或3所述方法，其特征在于：在所述调制过程中还对激光器施加频率远低于调制信号的扫频信号。
5．如权利要求4所述方法，其特征在于：所述扫频信号为锯齿波或三角波电压。
6．如权利要求1、2或3所述方法，其特征在于：所述处理分析使用的是所得吸收光谱的谐波信号。
7．如权利要求4所述方法，其特征在于：所述处理分析使用的是所得吸收光谱的谐波信号。
8．如权利要求1、2或3所述方法，其特征在于：所述处理分析中含针对不同被测气体、不同应用场合，对由调制信号的不同倍频解调后的谐波信号的信噪比或分辨率进行优选分析、决定所用最佳探测谐波的内容。
9．如权利要求4所述方法，其特征在于：所述处理分析中含针对不同被测气体、不同应用场合，对由调制信号的不同倍频解调后的谐波信号的信噪比或分辨率进行优选分析、决定所用最佳探测谐波的内容。
10．如权利要求6所述方法，其特征在于：所述处理分析中含针对不同被测气体、不同应用场合，对由调制信号的不同倍频解调后的谐波信号的信噪比或分辨率进行优选分析、决定所用最佳探测谐波的内容。
11．如权利要求7所述方法，其特征在于：所述处理分析中含针对不同被测气体、不同应用场合，对由调制信号的不同倍频解调后的谐波信号的信噪比或分辨率进行优选分析、决定所用最佳探测谐波的内容。
12．实现权利要求1所述方法的低频电压调制光谱装置包括，二极管激光器，接收调制吸收光谱的光电探测器，对探测信号进行解调作用的相关器，处理相关器输出数据的计算机，以及控制执行上述相应工作的各种辅助光、电机构和联接固定与调节部件；其特征在于：所述二极管激光器为外腔式结构(1、2、3、4)。当采用合成器(8)时，还设有低频正弦电压发生器(7)和频率远低于调制信号的函数信号发生器(6)，由合成器分别与其输出端相联、并将所得合成信号施加到外腔式激光器谐振腔后镜或外腔的反馈光栅的压电陶瓷的电压控制端(5)上；当所述激光器采用机械斩波器(17)调制时，则以低频正弦电压与机械斩波器的控制器相联(18)，以函数信号发生器的输出耦合到该激光器压电陶瓷的电压控制端(5)。
13．如权利要求12所述装置，其特征在于：所述函数信号发生器是锯齿波(6)或三角波电压信号发生器(21)。
14．如权利要求12所述装置，其特征在于：含有输入端与所述正弦信号发生器相联、输出端与所述相关器相联的可调倍频器(13)。
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