CN214953026U - 一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测装置。采用单光路吸收峰解调方法设计检测装置，包括信号发生器、激光驱动器、可调谐半导体激光器、光束耦合器、光学球形腔、光电探测器、锁相放大器以及上位机。由激光器发出的经调制后的激光经光束耦合器耦合进光学球形腔内，在腔内经过多次反射被被测气体吸收，提高激光光程/腔体尺寸比值，由光束耦合器引出至光电探测器，转为电信号，经锁相放大器提取后由上机位反演出气体浓度并保存。克服了两光电探测器的失配问题导致的吸收峰信号发生畸变，提高检测结果的精确度。本实用新型具备高灵敏度、高分辨率、多组分气体同时实时连续在线检测的优势，能广泛应用于公共环境、医疗等领域。

Description

一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测装置

技术领域

本实用新型属于气体检测领域，具体涉及一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测装置。

背景技术

呼出内源性气体具有与人体生理代谢密切相关的标志性信息，通过检测相应呼出气体成分与浓度可对疾病进行快速无创诊断。可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)作为一种高灵敏度、高特异性及测量系统简单稳定的光谱学测量方法，易于实现呼出气体的实时在线检测。在吸收光谱法气体检测系统中，气室是光与气体作用的场所，它的有效光程直接决定了系统的检测精度，气室结构的稳定性影响到系统的稳定性。

对比文件1(CN112304899)公开了一种基于腔增强技术的气体在线检测装置，装置包括可调谐半导体激光器、光学腔、光电探测器、数据采集及处理系统、气体压缩腔、压力传感器、TEC半导体制冷器、微处理器以及显示屏等。该装置使用增强型法布里-珀罗(FP)光学腔，通过压缩气体体积以提升浓度的方式实现较高的检测精确度，但是其腔体尺寸较大，光程/腔体尺寸比值不高，腔体设计过于复杂，并且高反射率的腔镜造价高昂且需要复杂的稳定装置，系统稳定性较差。

对比文件2(CN102706832)公开了一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪，包括激光器、激光器驱动电路、温度控制电路、带有光学腔体的光学系统、主探测器和参考探测器、强度调制消除电路、锁相放大电路和数据采集与显示电路；该装置通过在强度调制消除电路中引入除法运算，结合空间双光路差分检测法，能够从根本上消除强度调制的影响，但是，在双光路差分检测法中，两光电探测器的失配问题是导致吸收峰信号发生畸变的根本原因。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型提出了一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测装置，基于TDLAS技术，设计了一种单光路检测系统，采用光学球形腔，通过增加反射次数增加光程，大大提高了光程/腔体尺寸比值，解决了现有腔增强TDLAS技术中出现的稳定性差、成本高和体积大等问题。

一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测装置，包括信号发生器、激光驱动器、可调谐半导体激光器、光束耦合器、光学球形腔、光电探测器、锁相放大器以及上位机。信号发生器的信号发生端与激光驱动器的输入端相连，激光驱动器的输出端与可调谐半导体激光器的输入控制端相连。光束耦合器将可调谐半导体激光器发出的激光引入光学球形腔，以及将反射后的光引出光学球形腔。光学球形腔上设有气体入口与出口，腔内表面镀有金属镜面。光电探测器的输入端接收光束耦合器引出的光束，输出端与锁相放大器的输入端相连，锁相放大器的输出端与上位机相连。

作为优选，可调谐半导体激光器为辐射波长为9.55μm的量子级联激光器。

作为优选，光束耦合器为棱镜光束耦合器、光栅光束耦合器或微纳结构耦合器中的一种。

作为优选，光学球形腔为二氧化硅腔，腔体的直径为150mm。

作为优选，光学球形腔内镀的金属镜面为银、金、铝或铂中的一种。

作为优选，所述在线检测装置还包括用于安装可调谐半导体激光器的散热器。

作为优选，光电探测器为光电倍增管。

本实用新型具有以下有益效果：

1、基于单光路吸收峰解调方法设计，克服了两光电探测器的失配问题导致的吸收峰信号发生畸变，提高检测结果的精确度。

2、使用内镀金属层的光学球形腔对激光信号进行多次反射，提高光程/腔体尺寸比值，无需额外的稳定装置，降低系统复杂性的同时，提高检测灵敏度与系统稳定性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步的解释说明；

如图1所示，一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测装置100，包括信号发生器10、激光驱动器20、可调谐半导体激光器30、光束耦合器40、光学球形腔50、光电探测器60、锁相放大器70、上位机80。信号发生器10的信号发生端与激光驱动器20的输入端相连，激光驱动器20的输出端与可调谐半导体激光器30的输入控制端相连。光束耦合器40将可调谐半导体激光器30发出的激光引入光学球形腔50，以及将反射后的光引出光学球形腔50。光学球形腔50上设有气体入口51与出口52。光电探测器60的输入端接收光束耦合器40引出的光束，输出端与锁相放大器70的输入端相连，锁相放大器70的输出端与上位机相连80。可调谐半导体激光器30为安装在散热器上的辐射波长为9.55μm的量子级联激光器，其扫描范围内可覆盖氨气、乙烯和二氧化碳等气体的吸收。光束耦合器40为棱镜光束耦合器。光学球形腔50为二氧化硅腔，直径为150mm，腔内表面镀有银镜面。光电探测器60为光电倍增管。

信号发生器生成低频梯形波与高频正弦波，并通过高频正弦波对低频梯形波进行调制后，输入激光驱动器，控制可调谐半导体激光器输出激光的波长与光强，并通过高频正弦波对输出的激光的光强进行同步调制。将待测气体从光学球形腔的气体入口输入，光束耦合器将调制后的激光信号引入光学球形腔中，激光信号在光学球形腔中经过多次反射与待测气体充分接触后被光束耦合器引出。光电探测器将接收到的激光信号转换为电信号后传输给锁相放大器，锁相放大器采集到激光信号中因被气体吸收而产生的凹陷，解调出气体的吸收信号。上位机接受锁相放大器解调后的信号，通过算法反演，得到被测气体的浓度，实现气体的在线检测。

Claims (7)

1.一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测装置，其特征在于：该装置包括信号发生器(10)、激光驱动器(20)、可调谐半导体激光器(30)、光束耦合器(40)、光学球形腔(50)、光电探测器(60)、锁相放大器(70)以及上位机(80)；

所述信号发生器(10)的信号发生端与激光驱动器(20)的输入端相连，激光驱动器(20)的输出端与可调谐半导体激光器(30)的输入控制端相连；光束耦合器(40)将可调谐半导体激光器(30)发出的激光引入光学球形腔(50)，以及将反射后的光引出光学球形腔(50)；光学球形腔(50)上设有气体入口(51)与出口(52)，腔内表面镀有金属镜面；光电探测器(60)的输入端接收光束耦合器(40)引出的光束，输出端与锁相放大器(70)的输入端相连，锁相放大器(70)的输出端与上位机(80)相连。

2.如权利要求1所述一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测装置，其特征在于：可调谐半导体激光器选用辐射波长为9.55μm的量子级联激光器。

3.如权利要求1所述一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测装置，其特征在于：光束耦合器为棱镜光束耦合器、光栅光束耦合器或微纳结构耦合器中的一种。

4.如权利要求1所述一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测装置，其特征在于：光学球形腔为二氧化硅腔，腔体的直径为150mm。

5.如权利要求1所述一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测装置，其特征在于：光学球形腔内镀的金属镜面为银、金、铝或铂中的一种。

6.如权利要求1所述一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测装置，其特征在于：还包括用于安装可调谐半导体激光器的散热器。

7.如权利要求1所述一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测装置，其特征在于：光电探测器为光电倍增管。

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