氣體吸收分光裝置以及氣體吸收分光方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于測定對象氣體的激光吸收光譜，對該氣體的濃度、溫度、壓力 等進行測定的氣體吸收分光裝置以及方法。該氣體吸收分光裝置以及方法在汽車工業(yè)中能 夠適用于氣體濃度以及溫度、壓力的非接觸、高速測定，此外還能夠在工業(yè)爐內(nèi)的燃燒氣體 那樣的高溫?高壓環(huán)境下的氣體測量等多個領(lǐng)域適用。
【背景技術(shù)】
[0002] 采用激光的氣體吸收分光法具有以下三個方法。
[0003] (1)DLAS(DirectLaserAbsorptionSpectroscopy，激光直接吸收光譜法）
[0004] (2)WMS(WavelengthModulatedSpectroscopy，波長調(diào)制光譜法）
[0005] (3)CRDS(CavityRingDownSpectroscopy，腔衰蕩光譜法）
[0006] 在DLAS中，將激光照射至被測定氣體，通過光檢測器對激光進行測定。在此，具有 將照射于氣體的激光的波長固定為特定的值來對氣體中的吸收進行測定的方法，以及對激 光的波長進行掃描從而對氣體的吸收光譜進行測定的方法。在前者的情況下，激光的波長 固定為氣體的吸收波長，對該波長處的吸光度進行測定。在掃描波長的情況下，使激光的波 長在包含氣體的吸收波長的范圍內(nèi)變化以對其光譜進行測定，從而對氣體的吸收峰值的面 積進行測定（非專利文獻1)。
[0007] 麗S與波長掃描型的DLAS相似，除了波長掃描之外，還以遠(yuǎn)短于掃描周期的周期 (充分高的頻率。在此設(shè)為f。）呈正弦波狀地對波長進行調(diào)制。采用檢測器的話，能夠通 過檢測頻率f的高次諧波（一般采用的是二次諧波），以比DLAS高的靈敏度對氣體吸收進 行測定（專利文獻1、非專利文獻2、3、4)。高次諧波的檢測通常采用鎖相放大器（口 7夕 O7 > 7° )，但也提出有通過就這樣對檢測器信號進行數(shù)字采樣來進行FFT分析以進行 2f?的同步檢波的方法（非專利文獻5)。
[0008] 在CRDS中，將被測定氣體設(shè)置在至少由2塊鏡子構(gòu)成的光學(xué)諧振腔中。在此，對采 用CW(連續(xù)振蕩）激光的CRDS進行說明。入射至光學(xué)諧振腔的光在光學(xué)諧振腔中反射?諧 振，與兩側(cè)的鏡子的反射率相應(yīng)的能量的光被限制在諧振器內(nèi)。另一方面，極少一部分的 能量的光漏到鏡子之外。因此，在正常狀態(tài)下，一定的光能被蓄積在諧振腔內(nèi)部，一定強度 的光持續(xù)漏到鏡子之外。因此如果斷開激光器的話，諧振腔內(nèi)的光能根據(jù)諧振腔的損失量 而衰減，漏到鏡子外部的光強度也同時衰減。利用衰減時間按照存在于諧振腔內(nèi)部的被測 定氣體的吸收量而增減的現(xiàn)象對氣體的吸收進行測定。本手法具有WMS以上的高靈敏度， 但對于諧振腔的污染敏感，而且如果吸收變大的話，諧振腔損耗會急速增加，而不能進行測 定，因此動態(tài)范圍一般較小。而且還要求需要將諧振腔完全鎖定在激光模式等非常神經(jīng)質(zhì) 的控制。
[0009] 基于以上概況，作為工業(yè)用氣體吸收分光裝置，在靈敏度?穩(wěn)健性（測定容易性） 上取得平衡的WMS比較合適。根據(jù)通過WMS得到的吸收光譜的強度，容易地計算出氣體濃 度。除此之外，還能夠利用于如下的應(yīng)用，即即使在溫度?壓力時常變化的環(huán)境下無法直接 測定壓力或者溫度的環(huán)境中，也能夠通過采用2波長進行測定，來對氣體濃度、溫度進行測 定的應(yīng)用（非專利文獻4)。
[0010] 現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0011] 專利文獻
[0012] 專利文獻1日本特開2011-196832號公報
[0013] 非專利文獻
[0014] 非專利文獻 1 :E.D.HinkleyandP.LKelley，"DetectionofAirPollutants withTunableDiodeLasers，"Science19,635-639 (1971).
[0015] 非專利文獻 2:Reid，J.andLabrie，D.，"Second-harmonicdetectionwith tunablediodelasers-comparisonofexperimentandtheory，"Appl.Phys.B 26, 203-210 (1981).
[0016] 非專利文獻 3:J.A.Silver，''Frequency-modulationspectroscopyfortrace speciesdetection:theoryandcomparisonamongexperimentalmethods，〃Appl. Opt. 31 (1992) ,707-717.
[0017] 非專利文獻 4:G.B.Rieker，J.B.Jeffries，andR.K.Hanson，"Calibration-free wavelengthmodulationspectroscopyformeasurementsofgastemperatureand concentrationinharshenvironments，〃Appl.Opt.，submitted2009.
[0018] 非專利文獻 5:T.Fernholz，H.Teichert，andV.Ebert，"Digital，phase-sensi tivedetectionforinsitudiode-laserspectroscopyunderrapidlychanging transmissionconditions，"Appl.Phys.B75, 229-236 (2002).
[0019] 非專利文獻 6:J.T.C.Liu，〃Near_infrareddiodelaserabsorption diagnosticsfortemperatureandspeciesinengines，〃Ph.D.dissertation，Dept. MechanicalEngineering,StanfordUniv. ,Stanford,CA, 2004.(Figure3. 12)
[0020] 非專利文獻 7:"CalculationofmolecularspectrawiththeSpectral Calculator"，[平成 25 年 1 月 7 日檢索]，因特網(wǎng) <URL:http://www.spectralcalc.com/ info/CalculatingSpectra.pdf>
[0021] 非專利文獻8:福里克彥，池田裕二，中島健，「半導(dǎo)體分光システ/^奩用 UC02氣體?計測（第2報）」，日本機械學(xué)會論文集B編，2002, 68, 2901-2907.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022] 發(fā)明要解決的問題
[0023] 如上所述，WMS穩(wěn)健且高靈敏度，但存在以下問題點。
[0024] 1.為了進行高速測定，要縮短掃描周期且需要高的波長調(diào)制頻率。但是，在采用 一般最普及的注入電流控制型波長可變二極管激光器作為波長可變型的激光器的情況下， 提高調(diào)制頻率的話，相對于注入電流的波長變化率就降低，無法得到充分的波長調(diào)制深度 (modulationdepth)(非專利文獻 6) 〇
[0025] 2.尤其對于超過MHz那樣的高速的調(diào)制，難以對波長調(diào)制深度進行準(zhǔn)確測定，在 高速測定中無法確定準(zhǔn)確的波長調(diào)制深度。因此，根據(jù)測定結(jié)果計算出的氣體濃度?溫度 等信息的不確定性變高。
[0026] 由于以上的主要原因，在高速測定中，采用以往的WMS的話，存在精度良好的氣體 濃度?溫度等的測定的困難度顯著增加這樣的問題。
[0027] 本發(fā)明要解決的課題是提供一種即使在高速測定中也能夠進行精度良好的氣體 濃度等的測定的氣體吸收分光裝置以及氣體吸收分光方法。
[0028] 用于解決課題的手段
[0029] 為了解決上述課題而做成的本發(fā)明所涉及的氣體吸收分光裝置的特征在于，具 有：
[0030] a)波長可變的光源；
[0031] b)光源控制部，其使由所述光源所生成的光的波