基于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的礦井環(huán)境氣體定量分析裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的礦井環(huán)境氣體定量分析裝置及方法。裝置包括：飛秒激光器、分束器、光學延遲裝置、反射鏡、起偏器、聚焦透鏡、太赫茲發(fā)射器、氣體取樣池、氧化銦錫導(dǎo)電玻璃、碲化鋅電光晶體、高功率放大器、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)、四分之一波片、渥拉斯頓棱鏡、平衡探測器、鎖相放大器、計算機。本發(fā)明提出的礦井環(huán)境氣體定量分析方法，首先建立礦井環(huán)境氣體的定量分析模型，然后通過本發(fā)明提出的裝置獲取待測氣體的太赫茲光譜，再應(yīng)用建立的定量分析模型確定礦井環(huán)境氣體中各成分的含量。本方法具有結(jié)構(gòu)簡單、易操作、分析速度快及精度高等特點，本發(fā)明提出的方法還可應(yīng)用到其他領(lǐng)域的混合物分析中。
【專利說明】基于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的礦井環(huán)境氣體定量分析裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太赫茲技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種基于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的礦井環(huán)境氣體濃度測量分析裝置及方法，可以對礦井環(huán)境氣體進行定量分析。
【背景技術(shù)】
[0002]礦井環(huán)境氣體檢測是保證礦井井下人員安全作業(yè)和提高礦井防災(zāi)抗災(zāi)能力的有效保障。礦井中的有害有毒氣體主要有甲烷(CH4，又稱瓦斯氣)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(C02)、硫化氫(H2S)等。其中甲烷本身無毒，但是當濃度較高時會引起窒息，不助燃，但是在空氣中具有一定濃度并遇到高溫時會引起爆炸；一氧化碳是一種對血液、神經(jīng)有害的毒物，濃度高對人的危害極大；硫化氫無色、微甜、有濃烈的臭雞蛋味，濃度達到0.0001%時即可嗅到，但當濃度較高時反而因嗅覺神經(jīng)中毒麻痹反而嗅不到，能燃燒，濃度高時有爆炸危險。這些氣體引發(fā)的爆炸事故屢見不鮮，嚴重威脅礦井工作人員的人身和財產(chǎn)安全，尤其瓦斯爆炸，它是煤礦的重大災(zāi)害之一，也是當今世界各采煤國研究和預(yù)防的重點。我國高瓦斯含量的礦井占全國統(tǒng)配煤礦總數(shù)的46%，它是我國礦難的第一大禍首，直接威脅著礦工的生命安全，由瓦斯爆炸引起的傷亡人數(shù)超過全部重大事故傷亡人數(shù)的一半,是煤礦生產(chǎn)中危害極大的一類事故。因此煤礦企業(yè)急需高可靠性、智能快速的礦井環(huán)境氣體檢測儀器以滿足復(fù)雜的現(xiàn)場需求，對這些氣體的有效檢測和分析對于預(yù)防礦井爆炸事故，保證礦井工作人員的生命安全具有及其重要的意義。
[0003]常規(guī)的礦井氣體檢測方法主要有接觸燃燒法、半導(dǎo)體吸收法、催化法、紅外吸收法、氣相色譜法。接觸燃燒法和半導(dǎo)體吸收法的精度容易受其他氣體的干擾；催化法易中毒，嚴重影響檢測的準確性；紅外吸收法主要基于紅外輻射對不同官能團的吸收不同進行氣體檢測，只能測量低濃度瓦斯，易受到高濃度瓦斯和硫化物的侵蝕，使用一段時間后，零點產(chǎn)生漂移，靈敏度下降，因此每隔一段時間就要用標準氣體進行零點和靈敏度的校正；氣相色譜法是根據(jù)色譜柱中的氣相和固定相間的分配及吸附系數(shù)不同對被測氣體進行分離，然后應(yīng)用檢測器進行檢測，該方法檢測時間長，而且往往不能直接給出被測氣體的成分信息，還需要聯(lián)合其他的方法做進一步分析。分析發(fā)現(xiàn)，當前礦井環(huán)境氣體分析方法很多，但是都存在很多局限性，難以滿足礦井環(huán)境氣體檢測的快速、智能、可靠的要求，礦井環(huán)境氣體檢測到目前為止仍未得到很好的解決。
[0004]太赫茲波技術(shù)是近年來發(fā)展起來的前沿研究領(lǐng)域，許多生物大分子、有機分子的振動和轉(zhuǎn)動頻率、極性分子(包括大部分氣體分子)的振動和轉(zhuǎn)動頻率均位于THz波段，尤其是氣體分子在THz波段表現(xiàn)出很強的吸收特性，物質(zhì)的太赫茲吸收光譜可以作為其指紋光譜對物質(zhì)進行識別。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于太赫茲時域光譜技術(shù)的礦井環(huán)境氣體定量分析裝置及方法。
[0006]基于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的礦井環(huán)境氣體定量分析裝置，其特征在于，飛秒激光器發(fā)出的飛秒激光被分束器分成兩束，其中一束激光經(jīng)第一反射鏡和光學延遲線后被聚焦透鏡聚焦到光導(dǎo)天線型太赫茲發(fā)射器上產(chǎn)生太赫茲波，產(chǎn)生的太赫茲波透過第一石英玻璃片后被第一拋物面鏡準直為平行光束照射到待測氣體上，透過待測氣體后被第二拋物面鏡聚焦，透過第二石英玻璃片和氧化銦錫導(dǎo)電玻璃后被聚焦到碲化鋅電光晶體上；另外一束激光經(jīng)第二反射鏡和起偏器后被氧化銦錫導(dǎo)電玻璃反射，并與第一束激光所產(chǎn)生的太赫茲波共線地被耦合到碲化鋅電光晶體上；從碲化鋅晶體透射出的攜帶太赫茲波信息的激光經(jīng)過四分之一波片后被渥拉斯頓棱鏡分成偏振方向垂直的兩束激光照射到平衡探測器上；平衡探測器的輸出信號經(jīng)鎖相放大器后被輸入計算機進行信號處理；鎖相放大器的輸出信號經(jīng)高功率放大器放大后為光導(dǎo)天線型太赫茲發(fā)射器提供偏置電壓；計算機通過光學延遲線控制裝置控制光學延遲線移動。
[0007]基于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的礦井環(huán)境氣體定量分析裝置中的氣體取樣池包括第一石英玻璃片，第一拋物面鏡，第二拋物面鏡，第二石英玻璃片，進氣口閥門，壓力表，出氣口閥門。進氣口閥門和出氣口閥門共同控制被測氣體的進入以及氣體池中空氣的排出，氣體池中的氣體壓力由壓力表讀取。 [0008]基于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的礦井環(huán)境氣體定量分析方法，其特征在于包含以下步驟:
1)應(yīng)用權(quán)利要求1所述的裝置測量礦井環(huán)境氣體中常見氣體成分的標準樣品在標準大氣壓下的太赫茲吸收光譜，隨后根據(jù)所測量的標準樣品的太赫茲吸收光譜建立礦井環(huán)境氣體定量分析模型；
2)應(yīng)用權(quán)利要求1所述的裝置獲取待測礦井環(huán)境氣體在標準大氣壓下的太赫茲吸收光譜，并采用I)建立的礦井環(huán)境氣體定量分析模型分析礦井環(huán)境氣體中各氣體成分的濃度。
[0009]基于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的礦井環(huán)境氣體定量分析方法，其特征在于所述的步驟
I)包含以下步驟:
11)首先，在標準大氣壓及室溫下，采用權(quán)利要求1所述的裝置獲取礦井環(huán)境氣體中常見氣體成分的標準樣品的太赫茲吸收光譜，主要步驟為:首先利用權(quán)利要求1所述的裝置獲取太赫茲波透過空氣的太赫茲時域波形，作為參考信號，然后獲取太赫茲波透過各標準氣體樣品的太赫茲時域波形，作為樣品信號，對參考信號和樣品信號分別作傅里葉變換，得到參考和樣品的頻域譜，然后將樣品的頻域譜和參考的頻域譜相比獲得每種氣體的太赫茲吸收光譜；
氣體的太赫茲吸收光譜采用下式計算:
^ = log |o(~)⑴
其中Itl是參考信號的傅里葉變換幅度譜，I是樣品信號的傅里葉變換幅度譜。
12)從各標準氣體樣品的太赫茲吸收光譜上獲取每種氣體最典型的太赫茲吸收峰位置，頻率標記為f1、f2、…、fn，其中η為氣體種類，并獲得η種氣體在f\、f2、…、fn處的吸收光譜的值標記為An、Ai2、…、Ain (其中i是氣體種類序號，i = 1、2…、n)，并利用這些參數(shù)確定礦井環(huán)境氣體定量分析的定量模型。
[0010]基于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的礦井環(huán)境氣體定量分析方法，其特征在于所述的步驟
2)包含以下步驟:
21)對于成分含量未知的礦井環(huán)境氣體，在標準大氣壓及室溫下，采用權(quán)利要求1所述的裝置獲取太赫茲波透過空氣的太赫茲時域波形，并將其作為參考信號，獲取待測礦井環(huán)境氣體的太赫茲時域波形，作為樣品信號，對參考信號和樣品信號均作傅里葉變換，得到參考和樣品的頻域譜，然后將樣品的頻域譜和參考的頻域譜相比獲得待測的礦井環(huán)境氣體的太赫茲吸收光譜，并獲取頻率f\、f2、…、fn吸收光譜值，記為ApA2、…、An;
22)利用步驟I)建立的定量分析模型獲得待測礦井環(huán)境氣體中各氣體的濃度值Xl、
X2、…、Xno
[0011]有益效果:本發(fā)明提出的基于太赫茲時域光譜的礦井環(huán)境氣體定量分析裝置及方法，無需復(fù)雜的前處理過程，測試速度快，對被檢樣品沒有損害，可以同時獲得多種氣體的含量，本發(fā)明提出的測量方法也可以應(yīng)用到其他領(lǐng)域的混合物定量分析中。
【專利附圖】

【附圖說明】[0012]圖1是基于太赫茲時域光譜技術(shù)的礦井環(huán)境氣體定量分析裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中:飛秒激光器1，分束器2，光學延遲裝置3，光學延遲線3-1，光學延遲線控制器3-2,第一反射鏡4,第二反射鏡5,起偏器6,聚焦透鏡7,光導(dǎo)天線型太赫茲發(fā)射器8,第一石英玻璃片9，第一拋物面鏡10，第二拋物面鏡11，第二石英玻璃片12，ITO導(dǎo)電玻璃13，碲化鋅電光晶體14，高功率放大器15，數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)16，四分之一波片16-1，渥拉斯頓棱鏡16-2，平衡探測器16-3，鎖相放大器16-4，數(shù)據(jù)處理計算機16_5，進氣口閥門17，壓力表18，出氣口閥門19，氣體取樣池20。
【具體實施方式】
[0013]如附圖1所示，一種基于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的礦井環(huán)境氣體定量分析裝置，飛秒激光器發(fā)出的飛秒激光被分束器分成兩束，其中一束激光經(jīng)第一反射鏡和光學延遲線后被聚焦透鏡聚焦到光導(dǎo)天線型太赫茲發(fā)射器上產(chǎn)生太赫茲波，產(chǎn)生的太赫茲波透過第一石英玻璃片后被第一拋物面鏡準直為平行光束照射到待測氣體上，透過待測氣體后被第二拋物面鏡聚焦，透過第二石英玻璃片和ITO導(dǎo)電玻璃后被聚焦到碲化鋅電光晶體上；另外一束激光經(jīng)第二反射鏡和起偏器后被ITO導(dǎo)電玻璃反射，并與第一束激光所產(chǎn)生的太赫茲波共線地被耦合到碲化鋅電光晶體上；從碲化鋅晶體透射出的攜帶太赫茲波信息的激光經(jīng)過四分之一波片后被渥拉斯頓棱鏡分成偏振方向垂直的兩束激光照射到平衡探測器上；平衡探測器的輸出信號經(jīng)鎖相放大器后被輸入數(shù)據(jù)處理計算機進行進一步數(shù)據(jù)處理；鎖相放大器輸出信號經(jīng)高功率放大器放大后為光導(dǎo)天線型太赫茲發(fā)射器提供偏置電壓；數(shù)據(jù)處理計算機通過光學延遲線控制裝置控制光學延遲線移動。其中氣體取樣池包括第一石英玻璃片，第一拋物面鏡，第二拋物面鏡，第二石英玻璃片，進氣口閥門，壓力表，出氣口閥門。進氣口閥門和出氣口閥門共同控制被測氣體的進入以及氣體池中空氣的排出，氣體池中的氣體壓力由壓力表讀取。
[0014]基于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的礦井環(huán)境氣體定量分析方法，其特征在于包含以下步驟:
1)應(yīng)用權(quán)利要求1所述的裝置測量礦井環(huán)境氣體中常見氣體成分的標準樣品在標準大氣壓下的太赫茲吸收光譜，隨后根據(jù)所測量的標準樣品的太赫茲吸收光譜建立礦井環(huán)境氣體定量分析模型；
2)應(yīng)用權(quán)利要求1所述的裝置獲取待測礦井環(huán)境氣體在標準大氣壓下的太赫茲吸收光譜，并采用I)建立的礦井環(huán)境氣體定量分析模型分析礦井環(huán)境氣體中各氣體成分的濃度。
[0015]基于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的礦井環(huán)境氣體定量分析方法，其特征在于所述的步驟
1)包含以下步驟:
11)首先，在標準大氣壓及室溫下，采用權(quán)利要求1所述的裝置獲取礦井環(huán)境氣體中常見氣體成分的標準樣品的太赫茲吸收光譜，主要步驟為:首先利用權(quán)利要求1所述的裝置獲取太赫茲波透過空氣的太赫茲時域波形，作為參考信號，然后獲取太赫茲波透過各標準氣體樣品的太赫茲時域波形，作為樣品信號，對參考信號和樣品信號分別作傅里葉變換，得到參考和樣品的頻域譜，然后將樣品的頻域譜和參考的頻域譜相比獲得每種氣體的太赫茲吸收光譜；
12)從各標準氣體樣品的太赫茲吸收光譜上獲取每種氣體最典型的太赫茲吸收峰位置，頻率標記為f\、f2、…、fn，其中η為氣體種類，并獲得η種氣體在f\、f2、…、fn處的吸收光譜的值標記為An、Ai2、…、Ain (其中i是氣體種類序號，i = 1、2…、n)，并利用這些參數(shù)確定礦井環(huán)境氣體定量分析的定量模型。
[0016]基于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的礦井環(huán)境氣體定量分析方法，其特征在于所述的步驟
2)包含以下步驟:
21)對于成分含量未知的礦井環(huán)境氣體，在標準大氣壓及室溫下，采用權(quán)利要求1所述的裝置獲取太赫茲波透過空氣的太赫茲時域波形，并將其作為參考信號，獲取待測礦井環(huán)境氣體的太赫茲時域波形，作為樣品信號，對參考信號和樣品信號均作傅里葉變換，得到參考和樣品的頻域譜，然后將樣品的頻域譜和參考的頻域譜相比獲得待測的礦井環(huán)境氣體的太赫茲吸收光譜，并獲取頻率f\、f2、…、fn吸收光譜值，記為ApA2、…、An;
22)利用步驟I)建立的定量分析模型獲得待測礦井環(huán)境氣體中各氣體的濃度值Xl、
X2、…、Xno
[0017]以礦井環(huán)境氣體中三種典型的成分甲烷、硫化氫和一氧化碳為例，假設(shè)混合物中各種氣體的濃度分別為Xl、X2> X3，三種氣體的最強的吸收峰所在頻率為f\、f2> f3的吸收光譜值，三個頻率處對應(yīng)的的吸收光譜值記為Ap A2, A3，根據(jù)郎伯-比爾定律，在某一頻率點處太赫茲波的衰減是由各種氣體共同的吸收所引起，因此濃度Xl、X2> X3與各頻率點處的吸收光譜Ap A2、A3之間的關(guān)系可以由以下方程組確定
【權(quán)利要求】
1.一種基于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的礦井環(huán)境氣體定量分析裝置，其特征在于，飛秒激光器(I)發(fā)出的飛秒激光被分束器(2)分成兩束，其中一束激光經(jīng)第一反射鏡(4)和光學延遲線(3-1)后被聚焦透鏡(7)聚焦到光導(dǎo)天線型太赫茲發(fā)射器(8)上產(chǎn)生太赫茲波，產(chǎn)生的太赫茲波透過第一石英玻璃片(9)后被第一拋物面鏡(10)準直為平行光束照射到待測氣體上，透過待測氣體后被第二拋物面鏡(11)聚焦，透過第二石英玻璃片(12)和氧化銦錫導(dǎo)電玻璃(13)后被聚焦到碲化鋅電光晶體(14)上；另外一束激光經(jīng)第二反射鏡(5)和起偏器(6)后被氧化銦錫導(dǎo)電玻璃(13)反射，并與第一束激光所產(chǎn)生的太赫茲波共線地被耦合到碲化鋅電光晶體(14)上；從碲化鋅晶體(14)透射出的攜帶太赫茲波信息的激光經(jīng)過四分之一波片(16-1)后被渥拉斯頓棱鏡(16-2)分成偏振方向垂直的兩束激光照射到平衡探測器(16-3)上；平衡探測器(16-3)的輸出信號經(jīng)鎖相放大器(16-4)后被輸入計算機(16-5)進行信號處理；鎖相放大器(16-4)的輸出信號經(jīng)高功率放大器(15)放大后為光導(dǎo)天線型太赫茲發(fā)射器(10)提供偏置電壓；計算機(16-5)通過光學延遲線控制裝置(3-2)控制光學延遲線(3-1)移動。
2.一種基于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的礦井環(huán)境氣體定量分析裝置，其特征在于，氣體取樣池(20)包括第一石英玻璃片(9)，第一拋物面鏡(10)，第二拋物面鏡(11)，第二石英玻璃片(12)，進氣口閥門(17)，壓力表(18)，出氣口閥門(19)，進氣口閥門(17)和出氣口閥門(19 )共同控制被測氣體的進入以及氣體池中空氣的排出，氣體池中的氣體壓力由壓力表(18)讀取。
3.一種基于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的礦井環(huán)境氣體定量分析方法，其特征在于包含以下步驟: 1)應(yīng)用權(quán)利要求1所述的裝置測量礦井環(huán)境氣體中常見氣體成分的標準樣品在標準大氣壓下的太赫茲吸收光譜，隨后根據(jù)所測量的標準樣品的太赫茲吸收光譜建立礦井環(huán)境氣體定量分析模型； 2)應(yīng)用權(quán)利要求1所述的裝置獲取待測礦井環(huán)境氣體在標準大氣壓下的太赫茲吸收光譜，并采用I)建立的礦井環(huán)境氣體定量分析模型分析礦井環(huán)境氣體中各氣體成分的濃度。
4.一種基于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的礦井環(huán)境氣體定量分析方法，其特征在于所述的步驟I)包含以下步驟: 11)首先，在標準大氣壓及室溫下，采用權(quán)利要求1所述的裝置獲取礦井環(huán)境氣體中常見氣體成分的標準樣品的太赫茲吸收光譜，主要步驟為:首先利用權(quán)利要求1所述的裝置獲取太赫茲波透過空氣的太赫茲時域波形，作為參考信號，然后獲取太赫茲波透過各標準氣體樣品的太赫茲時域波形，作為樣品信號，對參考信號和樣品信號均作傅里葉變換，得到參考和樣品的頻域譜，然后將樣品的頻域譜和參考的頻域譜相比獲得每種氣體的太赫茲吸收光譜； 12)從各標準氣體樣品的太赫茲吸收光譜上獲取每種氣體最典型的太赫茲吸收峰位置，頻率標記為f\、f2、…、fn，其中η為氣體種類，并獲得η種氣體在f\、f2、…、fn處的吸收光譜的值標記為An、Ai2、…、Ain (其中i是氣體種類序號，i = 1、2…、n)，并利用這些參數(shù)確定礦井環(huán)境氣體定量分析的定量模型。
5.一種基于太赫茲時域光譜系統(tǒng)的礦井環(huán)境氣體定量分析方法，其特征在于所述的步驟2)包含以下步驟: 21)對于成分含量未知的礦井環(huán)境氣體，在標準大氣壓及室溫下，采用權(quán)利要求1所述的裝置獲取太赫茲波透過空氣的太赫茲時域波形，并將其作為參考信號，獲取待測礦井環(huán)境氣體的太赫茲時域波形，作為樣品信號，對參考信號和樣品信號均作傅里葉變換，得到參考和樣品的頻域譜，然后將樣品的頻域譜和參考的頻域譜相比獲得待測的礦井環(huán)境氣體的太赫茲吸收光譜，并獲取頻率f\、f2、…、fn吸收光譜值，記為ApA2、…、An; 22)利用步驟I )建立的定量分析模型獲得待測礦井環(huán)境氣體中各氣體的濃度值Xl、X2、…、Xno
【文檔編號】G01N21/3586GK103698294SQ201310701436
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月19日
【發(fā)明者】曹丙花, 范孟豹, 任萬磊 申請人:中國礦業(yè)大學