CN213633165U - 一种基于激光光谱吸收法的氮氧化物测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于激光光谱吸收法的氮氧化物测量系统，包括电流驱动模块、温控模块、锁相放大模块、数据采集模块、第一激光器、第二激光器、第三激光器、准直器、测气光路、红外探测器、显示终端。通过上述方式，本实用新型采用三个量子级联激光器作为激光源，发射出能够大范围调节波长的中远红外激光，三套激光源相互独立，互不影响且并行工作，经过DC分析或谐波分析后，将光强信号转换为吸收数值，在显示终端中进行实时显示，并通过气体独有的吸收光谱指纹，判断气体的成分，具有灵敏度高、响应速度快、几乎无漂移、不受背景气体干扰、非接触式光学测量等特点。

Description

一种基于激光光谱吸收法的氮氧化物测量系统

技术领域

本实用新型涉及环境气体气体含量检测技术领域，特别是涉及一种基于激光光谱吸收法的氮氧化物测量系统。

背景技术

随着汽车行业的高速发展，汽车在方便人们出行等方面取得了显著效果的同时，也导致了一些严重的环保问题。机动车尾气排放已经成为主要的大气污染源之一，这对人民群众的身体健康和社会的可持续发展产生了严重影响。对此，我国已经强制执行国3(欧3)标准，将强制执行国IV(欧IV)标准，这意味着将强制安装氮氧化物(NOx)检测装置以控制排放含量。

目前，现有的气体检测有两大类方法：化学分析法和光谱分析法，化学法主要有色谱分析法，质谱分析法以及色谱-质谱联用分析法等，具有很高的灵敏度，测量结果的可信度高，但响应速度慢，无法在线应用。光谱法包括傅立叶变换红外光谱技术(FTIR)、光声光谱技术(PAS)和可调谐激光吸收光谱法技术(TDLAS)等。但是傅里叶变换红外光谱法的设备比较庞大，响应速度也相对较慢；现有的光声气体测量装置主要是采用单端单光源入射到气体池中，其光源的单一性决定了测量气体的种类少，局限性很大。在某些研究中采用的是一个光源对应一个气体池的方式解决多光源耦合问题，但随着组分的增加，气室也要相应增加，装置的复杂性加大。

发明内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于激光光谱吸收法的氮氧化物测量系统。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种基于激光光谱吸收法的氮氧化物测量系统，包括电流驱动模块、温控模块、锁相放大模块、数据采集模块、第一激光器、第二激光器、第三激光器、准直器、测气光路、红外探测器、显示终端，所述电流驱动模块、温控模块的输入端均与所述显示终端连接，所述第一激光器、第二激光器、第三激光器的输入端均与电流驱动模块的输出端连接，所述第一激光器、第二激光器、第三激光器输出端通过输出光纤连接所述准直器，所述准直器安装在所述测气光路的入射端口，所述红外探测器的信号输出端与锁相放大模块相连接，所述锁相放大模块的输出端与数据采集模块的输入端连接，所述数据采集模块的输出端与所述显示终端连接，所述数据采集模块与所述显示终端进行数据通信，所述显示终端用于设置所要产生的信号的参数并显示所述数据采集模块发送的数据；

所述显示终端产生两路电压信号，一路电压信号输入到锁相放大模块的参考端作为参考信号，另一路电压信号输入到所述电流驱动模块和温控模块中，所述电流驱动模块将电压信号进行转换后输出调制的电流信号驱动所述第一激光器、第二激光器和第三激光器分别输出光强和波长均为正弦波动的激光，三路所述激光经过所述准直器准直后进入所述测气光路，然后从所述测气光路的出射端口射出后被所述红外探测器接收，所述红外探测器将接收到的光信号转换为电信号并将所述电信号输入到锁相放大模块中，锁相放大模块将处理后的信号输出到所述数据采集模块中。

优选的，电流驱动模块、温控模块、锁相放大模块、数据采集模块、第一激光器、第二激光器、第三激光器封装在一壳体内，。

优选的，所述第一激光器是中心波长为4.23微米的量子级联激光器，所述第二激光器是中心波长为5.26微米的量子级联激光器，所述第二激光器是中心波长为6.13微米的量子级联激光器。

优选的，所述第一激光器、第二激光器、第三激光器分别连接有光纤耦合器，所述光纤耦合器尾端通过输出光纤连接至所述分束器。

优选的，所述测气光路为开放光路或多次反射气体池。

优选的，所述红外探测器将光信号转换为电信号后经过信号调理电路后输入到所述锁相放大模块中。

优选的，所述显示终端内有测量模块和显示模块，所述测量模块包括谐波测量模式和直接测量模式两种测量模式，所述谐波测量模式应用于气体吸收峰窄于激光器的调谐范围的情形，所述直接测量模式适用于气体吸收峰范围完全覆盖激光器的调谐范围的情形，所述显示模块用于显示实时光强、实时浓度、浓度信号等信息。

优选的，所述显示终端上还设置有ROI滑块，通过左右调节ROI滑块位置能够筛选需要进行直流测量或谐波测量的感兴趣区域，且筛选后的感兴趣区域能够在所述显示模块上显示。

区别于现有技术的情况，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型采用三个量子级联激光器作为激光源，量子级联激光器能够发射出波长能够大范围调节的中远红外激光，由于发射出的激光频谱覆盖范围广，因此可以测量的气体种类较多，能够在一次测量过程完成三类氮氧气体成分的浓度测量，三套激光源相互独立，互不影响且并行工作，经过DC分析或谐波分析后，将光强信号转换为吸收数值，在监控软件中进行实时显示，并通过气体独有的吸收光谱指纹，判断气体的成分。

2.本实用新型搭建的测量系统具有超宽的光谱范围，极好的波长可调谐性以及稳定性，由于只激光器只发射待测气体特征波长的光，只有待测气体才会吸收该波长的光，所以不受背景气体干扰，有效克服水汽、粉尘等因素干扰，实现准确、快速测量，可测量过程气体成分中的特定气体的浓度。

附图说明

图1是本实用新型基于激光光谱吸收法的氮氧化物测量系统的原理框图；

图中标注：1-电流驱动模块、2-温控模块、3-锁相放大模块、4-数据采集模块、5-第一激光器、6-第二激光器、7-第三激光器、8-准直器、9-测气光路、10-红外探测器、11-显示终端、12-信号调理模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

该系统的测量原理如下：

首先，当光线穿过某种气体后，它将被气体吸收，其出射光强由比尔朗博定律决定，其公式如下：

I(v)＝I₀(v)exp[-a(v)LC] (1)

其中，I₀(v)是入射光强，I(v)是出射光强，a(v)是波长v下单位浓度单位长度的介质吸收截面(有时称为吸收系数)，L是吸收路径总光程，C是待测气体浓度。比尔朗博定律给出一种通过测量光强变化实现浓度检测的理论基础。在此基础上，不同的气体成分具有独特的吸收中心峰，通过红外光谱吸收中心峰来区分不同气体成分，就像“指纹”一样将它们分离开，从而实现一对一成分- 浓度检测。气体的吸收光谱可以通过查找HITRAN数据库进行确定。以H₂S和 SO₂为例，采用7.4um的QCL激光可以有效将两者同时测量出来，并且可以通过约±1cm-1的波数调节，将两者的吸收峰清晰地分辨出来。

本系统采用了谐波测量原理，通过频率调制(如正弦调制)，使其“扫描”待测特征信号，并用调制频率或调制频率的倍频信号作为参考信号，通过锁相放大技术，产生强度正比于待测气体浓度的谐波信号，从而实现浓度检测，对激光器驱动电流进行正弦调制，其光强和波长会产生相应的调制效应，且与调制注入电流成正比：

I'(v,t)＝I₀(v,t)[1+nsin(ωt)] (2)

v＝v₀+v_fsin(ωt) (3)

其中，n为光强调制系数，v₀为光源未经调制时的中心波长，v_f为波长调制幅度，ω为正弦调制频率系数。将以上公式(2)，(3)带入比尔朗博定律公式(1)，同时采用微小量近似(在近红外波段时，光强调制系数和气体吸收系数都很小，满足

和

可以得到：

得到：

一个标准大气压下，红外光谱粒子的碰撞展宽起主要作用，可采用归一化Lorentz线性来描述气体的吸收系数a(v)，如下所述：

其中a₀是纯气体在吸收线中心的吸收截面，v_c是中心吸收峰，Δv是吸收线半高全宽。将Lorentz吸收系数线型带入调谐强度表达式，可得：

当光源的输出中心波长被精确锁定在气体的吸收峰处时，v₀＝v_c时，则

其中

把公式(7)按傅里叶级数进行展开，可以得到一次谐波f和二次谐波项 2f的系数如下：

I_f＝nI₀ (9)

I_2f＝-ka₀LCI₀ (10)

其中，

由于

为一常数，因此k也为一个与吸收中心峰相关的常数，至此可得出：一次谐波信号主要由光强调制引起，大小正比于光源的平均功率；二次谐波信号的大小与初始光强和气体的浓度有关，提起二次谐波信号就可以推演气体的浓度信息。

如图1所示，本实用新型包括：提供一种基于激光光谱吸收法的氮氧化物测量系统，包括电流驱动模块1、温控模块2、锁相放大模块3、数据采集模块 4、第一激光器5、第二激光器6、第三激光器7、准直器8、测气光路9、红外探测器10、显示终端11，电流驱动模块1、温控模块2的输入端均与显示终端 11连接，所述第一激光器5、第二激光器6、第三激光器7的输入端均与电流驱动模块1的输出端连接，第一激光器5、第二激光器6、第三激光器7输出端通过输出光纤连接准直器8，准直器8安装在测气光路9的入射端口，红外探测器10的信号输出端与锁相放大模块3相连接，锁相放大模块3的输出端与数据采集模块4的输入端连接，数据采集模块4的输出端与显示终端11连接，数据采集模块4与显示终端11进行数据通信，显示终端11用于设置产生的信号的参数并对数据采集模块4发送的数据进行处理后显示；

显示终端11对所要产生的信号进行参数设置，设置完毕后，显示终端22 产生两路电压信号，一路电压信号输入到锁相放大模块3的参考端作为参考信号，另一路电压信号输入到电流驱动模块2和温控模块3中，电流驱动模块1 将电压信号进行转换后输出调制的电流信号驱动第一激光器5、第二激光器6 和第三激光器7分别输出光强和波长均为正弦波动的激光，三路所述激光经过准直器8准直后进入测气光路9，然后从测气光路9的出射端口射出后被红外探测器10接收，红外探测器将接收到的光信号转换为电信号并将电信号输入到锁相放大模块3中，锁相放大模块3将处理后的信号输出到数据采集模块4 中，数据采集模块4配合数据采集卡使用，实现二次谐波2f的幅值强度检测，并通过传递函数标定实现浓度值计算，然后数据采集模块将及处理后的数据输出到显示终端11上，以实现浓度数据显示、分析与存储。

在本实施例中，电流驱动模块1、温控模块2、锁相放大模块3、数据采集模块4、第一激光器5、第二激光器6、第三激光器7封装在同一壳体内构成主机箱，并且第一激光器5是中心波长为4.23微米的量子级联激光器，第二激光器6是中心波长为5.26微米的量子级联激光器，第三激光器7是中心波长为6.13微米的量子级联激光器，量子级联激光器是近年来发展起来的理想的中红外光源，具有宽的调谐范围，单色性好、量子效率高、输出功率大等优点，能够在室温下工作，温度稳定性好，而且量子级联激光器在中红外区有大范围的输出波长(4.3～24微米)，覆盖了大量气体分子振转能级的基频吸收。主机箱分为三个测量通道，三个通道分别作为不同氮氧化物(NO、N₂0、NO₂) 的测量通道,其中第一激光器5对应的通道为NO测量通道，第二激光器6对应的通道为N₂0测量通道，第三激光器7对应的测量通道为N0₂测量通道，可以通过主机箱上对应于温控模块2的温度调节旋钮调节温度，以改变激光器的波长，从而微调谐波或吸收峰的位置，还可以根据测试需要开一路、二路或三路测量通道进行测量。

进一步地，第一激光器5、第二激光器6、第三激光器7分别通过输出光纤连接有光纤耦合器，各个光纤耦合器的尾端通过多波长光纤合束器连接到准直器8上，合束后的激光被准直器8准直后输入到测气光路9，在本实施例中，测气光路9为长光程气体吸收池，具体可以为IRCELL气体吸收池或怀特池或赫里奥特池的其中一种，在本实施例中，可采用IRCELL气体吸收池，在进行测量时，在IRCELL气体吸收池中通入待测气体，合束后的激光经过 IRCELL气体吸收池的入射端口进入其中，在气体吸收池中经过多次反射后从出射端口射出，之后被聚焦器聚焦后被红外探测器10接收，红外探测器将接收到的激光信号转化为电信号，然后经过信号调理模块对电信号进行放大、滤波以及整形后输入到锁相放大模块3，锁相放大模块3用于将来自于红外探测器的光强信号与参考信号进行锁相放大和谐波提取，解调出含有浓度信息的二次谐波信号，然后锁相放大模块3的输出信号经A/D转换后输入到数据采集模块中，数据采集模块4将得到的数据进行采集，最后数据采集模块4将得到的数据通过USB接口传输到显示终端11中进行显示，实现信号的测控。

具体地，显示终端11内有测量模块110和显示模块111，测量模块110包括谐波测量模式和直接测量模式两种测量模式，谐波测量模式应用于气体吸收峰窄于激光器的调谐范围的情形，直接测量模式适用于气体吸收峰范围完全覆盖激光器的调谐范围的情形，显示模块111用于显示实时光强、实时浓度、浓度信号等信息，显示终端上还设置有ROI滑块，通过左右调节ROI滑块位置能够筛选需要进行直流测量或谐波测量的感兴趣区域，且筛选后的感兴趣区域能够在所述显示模块上显示。

在谐波测量模式下，显示终端11中的“浓度信号”XY坐标图中会出现二次谐波信号波形，细微调节正弦波加载参数，滤波频率等，使得二次谐波信号趋于完整和稳定，左右调节ROI滑块，选择感兴趣区域进行谐波分析，直到“浓度信号”XY坐标图中仅保留二次谐波信号最大峰，ROI滑块调节完毕；在直接测量模式下，需要对背景波形进行保存，以作为对照，将测气光路9中的气体移除，吸收波形回复至锯齿波的初始状态，当锯齿波波形稳定后，系统自动对当前的吸收波形进行保存，完成背景采集后，将待测气体放置测试光路中，激光器发射的激光经过待测气体后，出现吸收波形，对比背景波形和吸收波形的差异，即可计算出气体的浓度值。

通过上述方式，本实用新型采用三个量子级联激光器作为激光源，量子级联激光器能够发射出波长能够大范围调节的中远红外激光，由于发射出的激光频谱覆盖范围广，因此可以测量的气体种类较多，能够在一次测量过程完成三类氮氧气体成分的浓度测量，三套激光源相互独立，互不影响且并行工作，经过DC分析或谐波分析后，将光强信号转换为吸收数值，在监控软件中进行实时显示，并通过气体独有的吸收光谱指纹，判断气体的成分；本实用新型搭建的测量系统具有超宽的光谱范围，极好的波长可调谐性以及稳定性，由于只激光器只发射待测气体特征波长的光，只有待测气体才会吸收该波长的光，所以不受背景气体干扰，有效克服水汽、粉尘等因素干扰，实现准确、快速测量，可测量气体成分中的特定气体的浓度。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于激光光谱吸收法的氮氧化物测量系统，其特征在于，包括：电流驱动模块、温控模块、锁相放大模块、数据采集模块、第一激光器、第二激光器、第三激光器、准直器、测气光路、红外探测器、显示终端，所述电流驱动模块、温控模块的输入端均与所述显示终端连接，所述第一激光器、第二激光器、第三激光器的输入端均与电流驱动模块的输出端连接，所述第一激光器、第二激光器、第三激光器输出端通过输出光纤连接所述准直器，所述准直器安装在所述测气光路的入射端口，所述红外探测器的信号输出端与锁相放大模块相连接，所述锁相放大模块的输出端与数据采集模块的输入端连接，所述数据采集模块的输出端与所述显示终端连接，所述数据采集模块与所述显示终端进行数据通信，所述显示终端用于设置产生的信号的参数并显示所述数据采集模块发送的数据；

所述显示终端产生两路电压信号，一路电压信号输入到锁相放大模块的参考端作为参考信号，另一路电压信号输入到所述电流驱动模块和温控模块中，所述电流驱动模块将电压信号进行转换后输出调制的电流信号驱动所述第一激光器、第二激光器和第三激光器分别输出光强和波长均为正弦波动的激光，三路所述激光经过所述准直器准直后进入所述测气光路，然后从所述测气光路的出射端口射出后被所述红外探测器接收，所述红外探测器将接收到的光信号转换为电信号并将所述电信号输入到锁相放大模块中，锁相放大模块将处理后的信号输出到所述数据采集模块中。

2.根据权利要求1所述的基于激光光谱吸收法的氮氧化物测量系统，其特征在于，电流驱动模块、温控模块、锁相放大模块、数据采集模块、第一激光器、第二激光器、第三激光器封装在一壳体内，且在所述壳体上对应其内部各模块的调节按钮。

3.根据权利要求2所述的基于激光光谱吸收法的氮氧化物测量系统，其特征在于，所述第一激光器是中心波长为4.23微米的量子级联激光器，所述第二激光器是中心波长为5.26微米的量子级联激光器，所述第二激光器是中心波长为6.13微米的量子级联激光器。

4.根据权利要求3所述的基于激光光谱吸收法的氮氧化物测量系统，其特征在于，所述第一激光器、第二激光器、第三激光器分别连接有光纤耦合器。

5.根据权利要求1所述的基于激光光谱吸收法的氮氧化物测量系统，其特征在于，所述测气光路为开放光路或多次反射气体池。

6.据权利要求1所述的基于激光光谱吸收法的氮氧化物测量系统，其特征在于，所述红外探测器将光信号转换为电信号后经过信号调理电路后输入到所述锁相放大模块中。

7.据权利要求1所述的基于激光光谱吸收法的氮氧化物测量系统，其特征在于，所述显示终端内有测量模块和显示模块，所述测量模块包括谐波测量模式和直接测量模式两种测量模式，所述谐波测量模式应用于气体吸收峰窄于激光器的调谐范围的情形，所述直接测量模式适用于气体吸收峰范围完全覆盖激光器的调谐范围的情形，所述显示模块用于显示实时光强、实时浓度、浓度信号信息。

8.据权利要求7所述的基于激光光谱吸收法的氮氧化物测量系统，其特征在于，所述显示终端上还设置有ROI滑块，通过左右调节ROI滑块位置能够筛选需要进行直流测量或谐波测量的感兴趣区域，且筛选后的感兴趣区域能够在所述显示模块上显示。

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