CN205786268U

CN205786268U - 一种基于中红外差分吸收的甲烷浓度检测装置

Info

Publication number: CN205786268U
Application number: CN201620474802.0U
Authority: CN
Inventors: 常建华; 戴�峰; 李红旭; 薛宇
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2016-05-23
Filing date: 2016-05-23
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2026-05-23

Abstract

本实用新型提供一种基于中红外差分吸收的甲烷浓度检测装置，所述检测装置包括依次连接的中红外光源单元、差分吸收单元以及信号接收与处理单元。本实用新型提供的一种基于中红外差分吸收的甲烷浓度检测装置，能够解决甲烷吸收强度不高并且装置结构复杂的问题。

Description

一种基于中红外差分吸收的甲烷浓度检测装置

技术领域

本实用新型涉及甲烷浓度检测装置，尤其涉及一种基于中红外差分吸收的甲烷浓度检测装置。

背景技术

甲烷是结构最简单的碳氢化合物，无色无味，广泛存在于天然气、沼气、煤矿坑道气之中，是一种优质的气体燃料，也是制造合成气和化工产品的重要原料。甲烷可燃性好，浓度较高时，遇明火会引发爆炸，是许多煤矿爆炸事故中的罪魁祸首。甲烷也是产生大气温室效应的主要气体之一，其对温室效应的作用，是同等浓度二氧化碳的25倍。如今，大气中的甲烷浓度在不断的增加，300年前大气中甲烷浓度约为700ppb，然而现在已接近1.8ppm，直接影响到人类未来的健康生活。因此，不管是在工业监控还是在环境检测中，对甲烷浓度的检测都必不可少。

目前，传统的甲烷浓度检测装置有：热催化检测装置、热导检测装置等。热催化装置是利用催化物能使低浓度甲烷在低温度下持续燃烧(氧化)，不同浓度的甲烷在燃烧时产生的热量不同，通过温度变化来测量甲烷浓度。这种检测装置费时费力，灵敏度低，而且在高浓度甲烷中容易“中毒”而产生失灵，给出致命的错误信息，甚至会对安检人员产生生命威胁。热导检测装置利用甲烷与空气之间的热导率之差来实现甲烷气体浓度检测，将甲烷送入带有热敏元件的气室，对热敏元件进行加热，其阻值会降低，通过惠更斯电桥测量这一阻值变化，从而得到被测甲烷浓度值。这种装置安全性较高，但是其灵敏度低，稳定性差，检测低浓度甲烷时输出信号小，且易受水蒸气和二氧化碳等气体的影响。

针对这些问题，近年来出现了一些利用红外吸收法检测甲烷浓度的装置。红外吸收法的基本原理是：不同气体对红外辐射有着不同的吸收特性，气体浓度不同其吸收光强也不同。例如我国专利CN201320394336.1公开了一种红外线检测甲烷浓度的装置，包括近红外发光二极管、光准直镜、分光镜、待测气室、探测器、单片机、显示电路和报警电路，单片机通过驱动电路与近红外发光二极管连接，近红外发光二极管发出的红外光束经光准直器后入射到待测气室内，近红外光束穿过所述待测气室后照射到分光镜上，分成两道分光束分别入射到探测器的测量通道和参考通道内。该装置采用了近红外光作为光源，单波长双光路的方法来实现对甲烷浓度的测量，成本低，灵敏度相对较高。但该装置的缺点是甲烷在近红外区的吸收强度远低于中红外区，单波长双光路的差分吸收光学装置结构复杂，同时对电路的设计要求比较高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于中红外差分吸收的甲烷浓度检测装置，以解决甲烷吸收强度不高并且装置结构复杂的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于中红外差分吸收的甲烷浓度检测装置，包括依次连接的中红外光源单元、差分吸收单元以及信号接收与处理单元，其中：所述中红外光源单元包括并联的第一光路和第二光路、与所述第一光路和所述第二光路相连的波分复用器、连接于所述波分复用器之后的物镜、与所述物镜相连并设置于温控炉中的掺氧化镁铌酸锂MgO:PPLN晶体、连接于所述掺氧化镁铌酸锂MgO:PPLN晶体之后的氟化钙CaF₂透镜，其中，所述第一光路包括依次连接的第一半导体激光器、掺镱光纤放大器以及第一偏振控制器，所述第二光路包括依次连接的第二半导体激光器、掺饵光纤放大器以及第二偏振控制器；所述差分吸收单元包括双轴调节台、位于所述双轴调节台上的第一气室通道和第二气室通道、位于所述双轴调节台之后的待测气体吸收池，其中，所述双轴调节台可调节所述第一气室通道或者所述第二气室通道的位置，以使得所述中红外光源单元产生的中红外光线与所述第一气室通道或者第二气室通道以及所述待测气体吸收池位于同一轴线上；所述信号接收与处理单元包括依次连接的光电探测器、数据采集卡以及计算机，其中，所述光电探测器用于将所述差分吸收单元输出的光信号转换为电信号。

进一步地，在所述中红外光源单元中还包括锗Ge滤波片，所述锗Ge滤波片位于所述氟化钙CaF₂透镜和所述双轴调节台之间。

进一步地，在所述信号接收与处理单元中还包括锁相放大器，所述锁相放大器位于所述光电探测器和所述数据采集卡之间。

进一步地，所述第一半导体激光器为可调谐半导体激光器，其调谐范围为大于等于1030nm并且小于等于1070nm。

进一步地，所述第二半导体激光器的中心波长为1550nm。

进一步地，所述第一气室通道中填充有空气，所述第二气室通道中填充有浓度为25％的甲烷气体。

进一步地，所述待测气体吸收池为怀特型White多次反射吸收池。

由以上本实用新型的技术方案可见，本实用新型采用了基于差频原理产生的中红外光源，解决了传统上近红外区甲烷吸收强度远低于中红外区的问题，从而能够提高甲烷浓度检测的灵敏度。此外，本实用新型进一步的采用了一种简单便捷，易于实现的新型差分吸收光学装置，能够有效的解决环境对气体吸收池的干扰，以及光源功率波动的影响，提高了甲烷浓度检测的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型中基于中红外差分吸收的甲烷浓度检测装置的结构图；图中各标号含义如下：

1、第一半导体激光器；2、第二半导体激光器；3、第一掺镱光纤放大器；4、第二掺铒光纤放大器；5、第一偏振控制器；6、第二偏振控制器；7、波分复用器；8、物镜；9、温控炉；10、MgO:PPLN晶体；11、CaF₂透镜；12、Ge滤波片；13、第一气室通道；14、第二气室通道；15、双轴调节台；16、待测气体吸收池；17、光电探测器；18、锁相放大器；19、数据采集卡；20、计算机。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施方式，都应当属于本申请保护的范围。

图1为本实用新型中基于中红外差分吸收的甲烷浓度检测装置的结构图。如图1所示，所述检测装置，包括依次连接的中红外光源单元、差分吸收单元以及信号接收与处理单元，其中，所述中红外光源单元包括并联的第一光路和第二光路、与所述第一光路和所述第二光路相连的波分复用器7、连接于所述波分复用器7之后的物镜8、与所述物镜8相连并设置于温控炉9中的掺氧化镁铌酸锂MgO:PPLN晶体10、连接于所述掺氧化镁铌酸锂MgO:PPLN晶体10之后的氟化钙CaF₂透镜11，其中，所述第一光路包括依次连接的第一半导体激光器1、掺镱光纤放大器3以及第一偏振控制器5，所述第二光路包括依次连接的第二半导体激光器2、掺饵光纤放大器4以及第二偏振控制器6。

所述差分吸收单元包括双轴调节台15、位于所述双轴调节台15上的第一气室通道13和第二气室通道14、位于所述双轴调节台15之后的待测气体吸收池16，其中，所述双轴调节台15可调节所述第一气室通道13或者所述第二气室通道14的位置，以使得所述中红外光源单元产生的中红外光线与所述第一气室通道13或者第二气室通道14以及所述待测气体吸收池16位于同一轴线上。

所述信号接收与处理单元包括依次连接的光电探测器17、数据采集卡19以及计算机20，其中，所述光电探测器17用于将所述差分吸收单元输出的光信号转换为电信号。

在本实用新型的一优选实施方式中，在所述中红外光源单元中还包括锗Ge滤波片12，所述锗Ge滤波片12位于所述氟化钙CaF₂透镜11和所述双轴调节台15之间，以去除透过所述氟化钙CaF₂透镜11的光线中的近红外光，以获取较纯净的中红外光。

在本实用新型的一优选实施方式中，在所述信号接收与处理单元中还包括锁相放大器18，所述锁相放大器18位于所述光电探测器17和所述数据采集卡19之间，以放大所述光电探测器17转换得到的电信号。

在本实用新型的一优选实施方式中，所述第一半导体激光器为可调谐半导体激光器，其调谐范围为大于等于1030nm并且小于等于1070nm，所述第二半导体激光器的中心波长为1550nm。所述第一半导体激光器产生的激光通过所述掺镱光纤放大器后以及所述第二半导体激光器产生的激光通过所述掺饵光纤放大器放大后，可以由各自光路中的偏振控制器调节偏振态之后，由所述波分复用器7合为一束光。合成的一束光可以通过物镜8聚焦到MgO:PPLN晶体10中。所述温控炉9调节所述MgO:PPLN晶体10周边的环境温度后，所述MgO:PPLN晶体10可以产生中红外光线。

在本实用新型的一优选实施方式中，所述第一气室通道13中填充有空气，所述第二气室通道14中填充有浓度为25％的甲烷气体。

在本实用新型的一优选实施方式中，所述待测气体吸收池16为怀特型White多次反射吸收池。所述待测气体吸收池16有两种状态，一种是气体吸收池内无甲烷，另一种是气体吸收池内充入待测浓度的甲烷。

下面将介绍本实用新型进行甲烷浓度检测的原理。

根据Hitran光谱数据库，甲烷分子有4个基频振动带，分别对应四个特征吸收波长：3443nm，6522nm，3311nm，7658nm。当甲烷分子基频振动带处于3311nm时，中红外单元的输出波长能够定位到其附近。调谐第一半导体激光器1的输出波长至1055.76nm，两束激光分别通过掺镱光纤放大器3和掺饵光纤放大器4放大功率，经偏振控制器5、6后，利用波分复合器7进行合束，通过物镜8聚焦到MgO:PPLN晶体10上，用温控炉9控制温度，差频产生中红外光源。产生的中红外光通过CaF₂透镜11收集，近红外光通过Ge滤波片12去除，输出的中红外波长在3311nm附近。

基于差频原理产生的中红外光，先通过已充入普通空气的第一气室通道13，再通过无甲烷的待测气体吸收池16，光电探测器17将探测到的光信号转化为电信号传输到锁相放大器18，经数据采集卡19采集后，输入到计算机20，探测到的光强I_N0为入射光通过被测环境的吸收光强；利用双轴调节台15进行调节，将充入浓度25％甲烷的第二气室通道14的中心对准中红外光，再通过无甲烷的待测气体吸收池16，则探测到的光强I_M0为经过高浓度甲烷和吸收池空气的光强；当待测气体吸收池16充入待测浓度的甲烷时，中红外光经充入高浓度甲烷的第二气室通道14，再通过待测气体吸收池16后，探测到的光强I_MX为经过高浓度甲烷和待测浓度甲烷后的透射光强；利用双轴调节台15进行调节，将充入普通空气的第一气室通道13的中心对准中红外光，再通过充入待测浓度甲烷的待测气体吸收池16，探测到的光强I_NX为经普通空气和待测浓度甲烷后的光强。

所述的通过第二气室通道14和待测气体吸收池16探测到的光强I_M0和I_MX，由于在第二气室通道14中充入了高浓度甲烷，甲烷在3311nm特征吸收波长处的光能基本被完全吸收，所以I_M0≈I_MX，其相对误差不大于1％。若两种相差较大，应加大第二气室通道14中的甲烷浓度，来保证装置检测的精确度。

根据朗伯-比尔定律，若已知透射光强I_X，入射光强I₀，气体吸收池光路长度L，以及甲烷的吸收系数α，被测甲烷浓度C(CH₄)可以表示为：

C ({CH}_{4}) = - \frac{1}{α L} \ln \frac{I_{X}}{I_{0}}

基于以上装置及朗伯-比尔定律，甲烷浓度测量具体流程如下：

(1)先将已知浓度的甲烷充入待测气体吸收池16，分别测出上述光强I_N0，I_M0，I_NX，I_MX。

(2)计算出I_N0-I_M0，其代表着通过被测空气环境的光强I_N0与通过高浓度甲烷及待测气体吸收池16的空气后的光强I_M0的差，用其来代替入射光强I₀更加的精准；计算出I_NX-I_MX，其代表着通过普通空气及待测浓度甲烷后的光强I_NX与通过高浓度甲烷及待测浓度甲烷后的光强I_MX的差，用其来代替透射光强I_X。根据朗伯-比尔定律：则可以写成由于充入的是已知浓度的甲烷，气体吸收池光路长度L也可知，则可以得出甲烷在此中心波长的吸收系数α。

(3)在待测气体吸收池16中充入待测浓度的甲烷气体，再次分别测出光强I_N0，I_M0，I_NX，I_MX，计算出I_N0-I_M0，I_NX-I_MX。

由公式可知，α已求出，待测气体吸收池16的光路长度L已知，I_N0-I_M0，I_NX-I_MX也已求出，则可计算出待测甲烷气体的浓度C(CH₄)。

由上可见，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型采用了基于差频原理产生的中红外光源，解决了传统上近红外区甲烷吸收强度远低于中红外区的问题，从而能够提高甲烷浓度检测的灵敏度。

2、本实用新型进一步的采用了一种简单便捷，易于实现的新型差分吸收光学装置，利用朗伯-比尔定律和差分比例算法，能够有效的解决环境对气体吸收池的干扰，以及光源功率波动的影响，提高了甲烷浓度检测的稳定性。

上面对本申请的各种实施方式的描述以描述的目的提供给本领域技术人员。其不旨在是穷举的、或者不旨在将本实用新型限制于单个公开的实施方式。如上所述，本申请的各种替代和变化对于上述技术所属领域技术人员而言将是显而易见的。因此，虽然已经具体讨论了一些另选的实施方式，但是其它实施方式将是显而易见的，或者本领域技术人员相对容易得出。本申请旨在包括在此已经讨论过的本实用新型的所有替代、修改、和变化，以及落在上述申请的精神和范围内的其它实施方式。

本说明书中的各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。

虽然通过实施方式描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。

Claims

1.一种基于中红外差分吸收的甲烷浓度检测装置，包括依次连接的中红外光源单元、差分吸收单元以及信号接收与处理单元，其特征在于：

所述中红外光源单元包括并联的第一光路和第二光路、与所述第一光路和所述第二光路相连的波分复用器、连接于所述波分复用器之后的物镜、与所述物镜相连并设置于温控炉中的掺氧化镁铌酸锂MgO:PPLN晶体、连接于所述掺氧化镁铌酸锂MgO:PPLN晶体之后的氟化钙CaF₂透镜，其中，所述第一光路包括依次连接的第一半导体激光器、掺镱光纤放大器以及第一偏振控制器，所述第二光路包括依次连接的第二半导体激光器、掺饵光纤放大器以及第二偏振控制器；

所述差分吸收单元包括双轴调节台、位于所述双轴调节台上的第一气室通道和第二气室通道、位于所述双轴调节台之后的待测气体吸收池，其中，所述双轴调节台可调节所述第一气室通道或者所述第二气室通道的位置，以使得所述中红外光源单元产生的中红外光线与所述第一气室通道或者第二气室通道以及所述待测气体吸收池位于同一轴线上；

所述信号接收与处理单元包括依次连接的光电探测器、数据采集卡以及计算机，其中，所述光电探测器用于将所述差分吸收单元输出的光信号转换为电信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述中红外光源单元中还包括锗Ge滤波片，所述锗Ge滤波片位于所述氟化钙CaF₂透镜和所述双轴调节台之间。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述信号接收与处理单元中还包括锁相放大器，所述锁相放大器位于所述光电探测器和所述数据采集卡之间。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一半导体激光器为可调谐半导体激光器，其调谐范围为大于等于1030nm并且小于等于1070nm。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二半导体激光器的中心波长为1550nm。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一气室通道中填充有空气，所述第二气室通道中填充有浓度为25％的甲烷气体。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述待测气体吸收池为怀特型White多次反射吸收池。