專利名稱：用于氣體檢測的低頻電壓調(diào)制光譜的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光譜檢測技術(shù)，主要涉及對氣體的測量方法及相應(yīng)設(shè)備。
公知電流調(diào)制光譜檢測技術(shù)已成為一種工業(yè)氣體監(jiān)控及環(huán)境大氣的在線監(jiān)測的重要手段。這種方法會導(dǎo)致一定深度的振幅調(diào)制，造成較大的能量起伏，從而限制了測量的高靈敏度。且工作中波長的不連續(xù)變化會影響測量結(jié)果，同時所需處理設(shè)備亦顯昂貴。
本發(fā)明的目的是提出一種高分辨、高靈敏、使用方便的用于氣體檢測的低頻電壓調(diào)制光譜的方法和裝置的技術(shù)方案。
本發(fā)明目的中的方法部分是這樣實現(xiàn)的，用于氣體檢測的低頻電壓調(diào)制光譜法包括以調(diào)制和掃頻的單色光通過待檢測氣體，接收被檢測氣體的吸收光譜信號，按工作要求處理分析。其中，所述調(diào)制采用低頻正弦電壓控制激光器外腔后鏡、反饋光柵的旋轉(zhuǎn)或施于機(jī)械斬波器的方法。這種低頻電壓調(diào)制的方法可以得到無跳模、能量起伏較小的連續(xù)輸出，并可為檢測信號的后續(xù)處理提供有益的基礎(chǔ)，以改善檢測質(zhì)量；從而使本發(fā)明的目的得以實現(xiàn)。
本發(fā)明所述低頻電壓調(diào)制方法是把輸入的正弦電壓施加到外腔式激光器諧振腔后鏡或外腔的反饋光柵的壓電陶瓷上，通過控制其旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)波長的連續(xù)調(diào)制，這是外腔式激光器較普遍的工作方式。
本發(fā)明所述低頻電壓調(diào)制方法還可以是把輸入的低頻正弦電壓施加在機(jī)械斬波器的控制端上，通過斬波調(diào)制得到所需的激光輸出。
本發(fā)明在所述調(diào)制過程中還對外腔式激光器施加頻率遠(yuǎn)低于調(diào)制信號的掃頻信號，這是產(chǎn)生掃描輸出的激光波長連續(xù)變化的方法。
本發(fā)明所述掃頻信號為鋸齒波或三角波電壓，這是產(chǎn)生激光波長連續(xù)線性變化的方法。
本發(fā)明所述處理分析使用的是所得吸收光譜的諧波信號，這是消除連續(xù)背景噪聲的方法。
本發(fā)明所述處理分析中含針對不同被測氣體、不同應(yīng)用場合，對由調(diào)制信號的不同倍頻解調(diào)后的諧波信號的信噪比或分辨率進(jìn)行優(yōu)選分析、決定所用最佳探測諧波的內(nèi)容，使本方法能夠適用于多種不同形式的氣體檢測。
本發(fā)明目的中的設(shè)備部分是這樣實現(xiàn)的，低頻電壓調(diào)制光譜裝置包括，二極管激光器，接收到調(diào)制吸收光譜的光電探測器，對探測信號進(jìn)行解調(diào)作用的相關(guān)器，處理相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)的計算機(jī)，以及控制執(zhí)行上述相應(yīng)工作的各種輔助光、電機(jī)構(gòu)和聯(lián)接固定與調(diào)節(jié)部件。其中，所述二極管激光器為外腔式結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用合成器時，還設(shè)有低頻正弦電壓發(fā)生器和頻率遠(yuǎn)低于調(diào)制信號的函數(shù)信號發(fā)生器，由合成器分別與其輸出端相聯(lián)、并將所得合成信號施加到外腔式激光器諧振腔后鏡或外腔的反饋光柵的壓電陶瓷的電壓控制端上；當(dāng)所述激光器采用機(jī)械斬波器調(diào)制時，則以低頻正弦電壓與機(jī)械斬波器的控制器相聯(lián)，以函數(shù)信號發(fā)生器的輸出耦合到二極管激光器壓電陶瓷的電壓控制端。這樣，激光器在所需信號作用下，皆可輸出帶有掃頻和調(diào)制的檢測光，從而完成對本發(fā)明所需光源的生成，實現(xiàn)了發(fā)明目的中的設(shè)備內(nèi)容。
本發(fā)明所述函數(shù)信號發(fā)生器輸出的是鋸齒波或三角波電壓信號，其所起作用是使激光器的波長緩慢線性掃描通過被測氣體的電子躍遷位置，以保證完整地探測和處理調(diào)制吸收光譜。
本發(fā)明還含有輸入端與所述正弦信號發(fā)生器相聯(lián)、輸出端與所述相關(guān)器相聯(lián)的可調(diào)倍頻器，以提供相關(guān)檢測時供優(yōu)選諧波的參考信號。
本發(fā)明采用將低頻電壓施于控制激光器外腔的后鏡、反饋光柵旋轉(zhuǎn)的壓電陶瓷上或機(jī)械斬波器上，以鋸齒波或三角波電壓為激光輸出的掃頻信號，對由調(diào)制信號的不同倍頻解調(diào)后所得諧波信號的信噪比進(jìn)行優(yōu)選分析、決定所用最佳探測諧波的內(nèi)容，及其相應(yīng)設(shè)備，可以得到無跳模、能量起伏較小的連續(xù)激光輸出，從而有效地消除了連續(xù)背景噪聲，提高了檢測氣體微弱吸收譜線的分辨率，其最小吸收探測靈敏度達(dá)到10-6，可應(yīng)用于工業(yè)氣體監(jiān)控以及環(huán)境或大氣中的有害氣體的在線監(jiān)測。
附圖給出了本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意和測量結(jié)果。


圖1是用于銫蒸汽測量的調(diào)制光譜裝置結(jié)構(gòu)圖；圖2是用于銫蒸汽測量的二次、四次及六次諧波信號與相應(yīng)的背景噪聲的對比；圖3是用于銫蒸汽測量的二次、四次及六次諧波信號與直接吸收線的對比；圖4是以斬波調(diào)制激光進(jìn)行氧氣含量測量的調(diào)制與掃描部分結(jié)構(gòu)圖；圖5是大氣壓下的氧氣含量氣壓與四次諧波峰值的對應(yīng)關(guān)系。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
在圖1和4中1二極管激光非曲直2反饋光柵3后鏡4旋轉(zhuǎn)支點5壓電陶瓷的電壓控制端6鋸齒波信號發(fā)生器(HP33120A)7正弦信號發(fā)生器8合成器9銫蒸汽10光電二極管(2CU2E)11相關(guān)器(SR530)12計算機(jī)13可調(diào)倍頻器14、15、16倍頻器17機(jī)械斬波器18機(jī)械斬波器的控制器19機(jī)械斬光盤20氧氣池21三角波信號發(fā)生器第一實施例是用于高靈敏測量銫蒸汽的場合的情況。
本例設(shè)備由二極管激光器及其調(diào)制系統(tǒng)、光電探測器、相關(guān)器和計算機(jī)組成。
本例裝置可參見圖1，單色光源是美New Focus公司6017型的外腔式二極管激光器1、2、3、5，以輸出1kHz正弦波調(diào)制信號的正弦信號發(fā)生器7和產(chǎn)生1Hz鋸齒波的美HP公司33120A型函數(shù)信號發(fā)生器6的輸出分別與合成器8相聯(lián)，合成器的輸出施加到外腔式激光器諧振腔控制后鏡旋轉(zhuǎn)的壓電陶瓷的電壓控制端5上。光電探測器10的輸出與相關(guān)器(美國SR530)11相聯(lián)，同時發(fā)生器7的輸出還經(jīng)可調(diào)倍頻器13倍頻輸出后與相關(guān)器11相聯(lián)，計算機(jī)12處理來自相關(guān)器11的諧波信號，得出檢測結(jié)果。另外還有控制執(zhí)行相應(yīng)工作的各種輔助光路和聯(lián)接固定部件。以上為本例主要結(jié)構(gòu)的描述。
外腔式二極管激光器是采用外腔的后鏡與激光二極管的一個端面構(gòu)成諧振腔的，中間插入一個反射光柵；也可以用反射光柵直接代替諧振腔的另一個反射鏡來構(gòu)成。利用光柵的色散分光作用，將二極管激光器發(fā)出的不同波長的光束在空間分離，然后只使很窄波長區(qū)域的光束在腔內(nèi)形成振蕩，其它波長的光束因不具反饋能力而被抑制。當(dāng)適當(dāng)轉(zhuǎn)動后鏡或光柵的角度位置，可以改變所需要的振蕩模式。后鏡或光柵的轉(zhuǎn)動是利用壓電陶瓷來控制的，由于機(jī)械部件的作用，決定了這種通過電壓調(diào)諧激光波長的方法只能在低頻下工作。
合成器8由三個50歐姆的電阻采用三角形接法構(gòu)成的。當(dāng)在任意兩端分別施加上正弦信號發(fā)生器7輸出的正弦波信號和函數(shù)信號發(fā)生器6輸出的鋸齒波時，其第三端產(chǎn)生輸出兩輸入信號幅值減小一半后疊加而成的合成信號。
可調(diào)倍頻器13采用三個公知的倍頻電路串接而成，以提供用于相關(guān)檢測的參考信號。
由普通光電二極管(2CU2E)構(gòu)成的光電探測器10接收到調(diào)制吸收光譜后送入相關(guān)器11與調(diào)制正弦波倍頻器13的輸出信號進(jìn)行相關(guān)。如果選擇調(diào)制正弦波的二次倍頻信號2f(這里f為調(diào)制頻率)進(jìn)行相關(guān)檢測，得到二次諧波光譜；如果用調(diào)制正弦波的四次倍頻信號4f相關(guān)檢測，得到四次諧波光譜，依次類推。用計算機(jī)12從相關(guān)器的輸出通道采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，記錄高次諧波光譜，根據(jù)高次諧波峰值的變化與氣體的濃度成正比的關(guān)系可以進(jìn)行定量測定。本發(fā)明所述諧波信號的探測指的是偶次諧波，即S2f、S4f、S6f、S8f等，這是由于直接吸收信號(無調(diào)制)的峰值與偶次諧波的峰值位置一致，從而便于分析。但是直接吸收信號的峰值對應(yīng)奇次諧波的探測卻是零點，在本發(fā)明中不予考慮。在應(yīng)用過程中，選擇哪一種高次諧波(如S2f、S4f、S6f、S8f)進(jìn)行探測取決于激光器的頻率調(diào)諧范圍和信噪比。雖然高次諧波得到的光譜信號較直接探測的吸收信號小，但是背景噪聲由于與調(diào)制正弦波的非相關(guān)性而衰減的更多，從而有效地消除了背景噪聲，提高了信噪比。但并不是越高次的諧波得到的信噪比越高，這是因為背景噪聲在更高次的探測中幾乎保持不變。選擇哪一種高次諧波(從最佳信噪比或分辨率的角度出發(fā))應(yīng)該由實驗測定后才能確定。
在φ20×30的石英樣品池中抽真空至133.3×10-6Pa后充以純金屬銫，以銫原子飽和蒸汽作為被測氣體。銫原子蒸汽在室溫及超低壓狀態(tài)下的吸收信號呈現(xiàn)高斯線型，即主要受溫度展寬所影響，D2線(未飽和)的譜線線寬約為500MHz。
函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生的1Hz慢掃鋸齒波電壓作為掃描信號，其所起作用是當(dāng)激光器1的波長在進(jìn)行低頻調(diào)制的同時，緩慢線性掃描通過被測氣體的電子躍遷位置，以保證完整地探測和處理調(diào)制吸收光譜；該掃描信號與調(diào)制信號合成后送入激光器的電壓調(diào)制輸入口，疊加到預(yù)置直流偏壓上實現(xiàn)對輸出光波長的調(diào)制和掃描。把相關(guān)器的積分時間固定在30ms，保證吸收光譜完整記錄并能定量分析。測量過程中把探測的背景信號作噪聲，以諧波信號作信息，測量各種不同條件下的信噪比結(jié)果，進(jìn)行最佳信噪比分析。通過計算機(jī)與數(shù)字鎖相的數(shù)字化通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理。
使用前，按檢測場合的具體情況安置設(shè)備的發(fā)射與接收部分。工作時，外腔式二極管激光器的工作溫度為26℃，固定輸入電流55mA，輸出功率為8.5mw。當(dāng)施加在后鏡的壓電陶瓷上的電壓在0-110v變化時激光輸出波長范圍在75GHz，而且短時間內(nèi)的線寬小于300kHz(50ms內(nèi))。本例壓電陶瓷的預(yù)置直流偏壓為95v左右，激光輸出的中心波長為852.11nm(空氣中)，對應(yīng)于銫原子D2線的電子躍遷。
圖2中，2(a)、4(a)和6(a)表示探測到的二次、四次及六次諧波信號。對應(yīng)2(b)、4(b)和6(b)記錄的是在去掉樣品后得到的二次、四次及六次諧波信號，表示能量起伏對諧波信號產(chǎn)生的背景信號。這些背景信號作為基準(zhǔn)決定了測量結(jié)果的下限。由本例可見，諧波次數(shù)越高，背景信號即噪聲越小，同時諧波信號也有一定程度的減小。對于高斯吸收譜線，對應(yīng)于二次、四次及六次諧波探測調(diào)制度m(調(diào)制深度/吸收譜線寬度)的最佳值分別為2.1,3.6,5.2。本例測得當(dāng)m=2.1時，二次諧波探測的信噪比SNR=80；當(dāng)m=3.6時，四次諧波探測的SNR=300；在m=5.2時，六次諧波探測的SNR=460。對于多譜勒吸收線，由圖2可以計算出二次、四次及六次諧波探測的最小探測吸收率分別為2.5×10-5,7.0×10-6，和4.0×10-6。本例通過電壓調(diào)制和諧波探測有效地消除了連續(xù)背景噪聲，提高了檢測氣體微弱吸收譜線的靈敏度。
波長調(diào)制和諧波探測的方法提高了測量的信噪比，但是得到的是探測器的原輸出信號經(jīng)過數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換并且產(chǎn)生了調(diào)制展寬的信號，這種調(diào)制展寬限制了高分辨率光譜的獲得。圖3為在固定的調(diào)制深度系數(shù)m=2.1的條件下，獲得的二次、四次及六次諧被展寬光譜信號與銫原子D2線的對比。結(jié)果表明，二次諧波探測產(chǎn)生的調(diào)制展寬最大，諧波次數(shù)越高，調(diào)制展寬越小。相應(yīng)二次、四次及六次諧波的中心峰展寬比率約為16∶6∶1。可見用高于二次諧波的較高次諧波探測微弱信號可以獲得較高的分辨率。六次諧波探測的調(diào)制展寬(中心峰)接近直接吸收信號的線寬，可用來測量光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)以及進(jìn)行吸收譜線鄰近的兩種氣體的痕量分析。
在本例中六次諧波探測技術(shù)是最好的。二次諧波信號有很高的信號峰值，卻也存在著很高的背景噪聲，調(diào)制展寬最大；六次以上的高次諧波探測，雖然沒有更高的背景噪聲，但是信號的峰值變得很低，并且需要更大的頻率調(diào)諧范圍，不利于探測和分析。
這種調(diào)制與檢測方法適合于所有轉(zhuǎn)動后鏡的Littman型和或轉(zhuǎn)動光柵Littrow型結(jié)構(gòu)的外腔式二極管激光器。
第二實施例用于測量大氣壓下氧氣含量的場合。
本實施例所述低頻電壓調(diào)制方法是把輸入的調(diào)制電壓經(jīng)過放大后，施加在機(jī)械斬波器的控制器18上，以通過斬波調(diào)制得到所需的激光輸出。此時以三角波電壓信號發(fā)生器21的輸出耦合到二極管激光器壓電陶瓷的電壓控制端，見圖4。
外腔式二極管激光器(1、2、4)采用德國產(chǎn)DL100型，輸出激光的中心波長為760.7nm(空氣中)，對應(yīng)于氧氣的A段電子躍遷。被測氣體為大氣壓下不同含量的氧氣。氧氣在室溫及大氣壓狀態(tài)下的吸收線寬約為3GHz。
本實施中，四次諧波探測技術(shù)的信噪比最高，所以選擇四次諧波進(jìn)行探測。如圖5所示，空氣中的氧氣含量氣壓對應(yīng)四次諧波峰值有良好的線性關(guān)系。
權(quán)利要求
1．用于氣體檢測的低頻電壓調(diào)制光譜法包括，以調(diào)制和掃頻的單色光通過待檢測氣體，接收被檢測氣體的吸收光譜信號，按工作要求處理分析；其特征在于所述調(diào)制采用將低頻正弦電壓施于激光器外部的后鏡、反饋光柵或機(jī)械斬波器的方法。
2．如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述低頻電壓調(diào)制方法是把輸入的正弦電壓施加到外腔式激光器諧振腔后鏡或外腔的反饋光柵的壓電陶瓷上。
3．如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述低頻電壓調(diào)制方法是把輸入的低頻正弦電壓施加在機(jī)械斬波器的控制器上。
4．如權(quán)利要求1、2或3所述方法，其特征在于在所述調(diào)制過程中還對激光器施加頻率遠(yuǎn)低于調(diào)制信號的掃頻信號。
5．如權(quán)利要求4所述方法，其特征在于所述掃頻信號為鋸齒波或三角波電壓。
6．如權(quán)利要求1、2或3所述方法，其特征在于所述處理分析使用的是所得吸收光譜的諧波信號。
7．如權(quán)利要求4所述方法，其特征在于所述處理分析使用的是所得吸收光譜的諧波信號。
8．如權(quán)利要求1、2或3所述方法，其特征在于所述處理分析中含針對不同被測氣體、不同應(yīng)用場合，對由調(diào)制信號的不同倍頻解調(diào)后的諧波信號的信噪比或分辨率進(jìn)行優(yōu)選分析、決定所用最佳探測諧波的內(nèi)容。
9．如權(quán)利要求4所述方法，其特征在于所述處理分析中含針對不同被測氣體、不同應(yīng)用場合，對由調(diào)制信號的不同倍頻解調(diào)后的諧波信號的信噪比或分辨率進(jìn)行優(yōu)選分析、決定所用最佳探測諧波的內(nèi)容。
10．如權(quán)利要求6所述方法，其特征在于所述處理分析中含針對不同被測氣體、不同應(yīng)用場合，對由調(diào)制信號的不同倍頻解調(diào)后的諧波信號的信噪比或分辨率進(jìn)行優(yōu)選分析、決定所用最佳探測諧波的內(nèi)容。
11．如權(quán)利要求7所述方法，其特征在于所述處理分析中含針對不同被測氣體、不同應(yīng)用場合，對由調(diào)制信號的不同倍頻解調(diào)后的諧波信號的信噪比或分辨率進(jìn)行優(yōu)選分析、決定所用最佳探測諧波的內(nèi)容。
12．實現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的低頻電壓調(diào)制光譜裝置包括，二極管激光器，接收調(diào)制吸收光譜的光電探測器，對探測信號進(jìn)行解調(diào)作用的相關(guān)器，處理相關(guān)器輸出數(shù)據(jù)的計算機(jī)，以及控制執(zhí)行上述相應(yīng)工作的各種輔助光、電機(jī)構(gòu)和聯(lián)接固定與調(diào)節(jié)部件；其特征在于所述二極管激光器為外腔式結(jié)構(gòu)(1、2、3、4)。當(dāng)采用合成器(8)時，還設(shè)有低頻正弦電壓發(fā)生器(7)和頻率遠(yuǎn)低于調(diào)制信號的函數(shù)信號發(fā)生器(6)，由合成器分別與其輸出端相聯(lián)、并將所得合成信號施加到外腔式激光器諧振腔后鏡或外腔的反饋光柵的壓電陶瓷的電壓控制端(5)上；當(dāng)所述激光器采用機(jī)械斬波器(17)調(diào)制時，則以低頻正弦電壓與機(jī)械斬波器的控制器相聯(lián)(18)，以函數(shù)信號發(fā)生器的輸出耦合到該激光器壓電陶瓷的電壓控制端(5)。
13．如權(quán)利要求12所述裝置，其特征在于所述函數(shù)信號發(fā)生器是鋸齒波(6)或三角波電壓信號發(fā)生器(21)。
14．如權(quán)利要求12所述裝置，其特征在于含有輸入端與所述正弦信號發(fā)生器相聯(lián)、輸出端與所述相關(guān)器相聯(lián)的可調(diào)倍頻器(13)。
全文摘要
用于氣體檢測的低頻電壓調(diào)制光譜的方法和裝置屬于光譜檢測技術(shù)。采用低頻正弦電壓控制外腔式激光器后鏡(3)、反饋光柵(2)的旋轉(zhuǎn)或施與機(jī)械斬波器(17),以鋸齒波(6)或三角波電壓(21)為掃頻信號,解調(diào)被測氣體的吸收光譜,根據(jù)優(yōu)選所得高次諧波的峰值變化與被測氣體濃度成正比的關(guān)系進(jìn)行定量測定。有效地扣除了背景噪聲,分辨率高,最小探測吸收率達(dá)10
文檔編號G01J3/42GK1305098SQ0013653
公開日2001年7月25日 申請日期2000年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月29日
發(fā)明者賈鎖堂, 肖連團(tuán), 李昌勇, 張臨杰, 趙延霆 申請人:山西大學(xué)