一種提高光譜檢測靈敏度的方法及其裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于痕量氣體檢測領(lǐng)域，涉及光譜檢測氣體濃度的方法，特別適用于以空心光波導(dǎo)為氣體池的光譜測量方法。具體講，涉及一種提高光譜檢測靈敏度的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]光譜分析是痕量氣體在線檢測的常用方法，該方法無須對氣體樣品準(zhǔn)備或預(yù)處理，具有響應(yīng)快、特異性好(抗干擾能力強(qiáng))、重復(fù)性好、靈敏度高、對被測氣體無破壞/污染等優(yōu)點(diǎn)。主要應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)流程監(jiān)測、呼吸氣體分析、燃燒診斷等。光譜法檢測痕量氣體的工作方式有兩種，第一種抽取方式檢測，第二種是是開放光程檢測。就第一種方式而言，光譜法氣體檢測方法需要把被測氣體抽取到氣體池(或者稱為氣室)內(nèi)進(jìn)行測量。
[0003]抽取式氣體檢測方法的氣體池有多種方式:對射式、多次反射式、空心光波導(dǎo)等。空心光波導(dǎo)也稱作是空芯光纖、或光學(xué)波導(dǎo)，商品化空心光波導(dǎo)是一種內(nèi)徑為0.1?1.0mm的石英毛細(xì)管，其外表面覆聚合物保護(hù)層，其內(nèi)腔鍍高反射率銀膜，并以碘化銀薄膜做介電保護(hù)，空心光波導(dǎo)的紅外光傳輸損耗低、可彎曲?？招墓獠▽?dǎo)常用作痕量氣體抽取式檢測的氣體池，具有氣體容積小、等效光程長、傳輸損耗低等優(yōu)點(diǎn)。使得相應(yīng)儀器(或傳感器)具有檢測響應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高的優(yōu)勢。
[0004]對于痕量氣體檢測，有時(shí)被測氣體的濃度很低，比如ppbv(parts per bill1n byvolume, 10_9)或者pptv (parts per trill1n by volume, 10_12)量級，商品化空心光波導(dǎo)無法提供所需要的測量光程，且過長的測量光程導(dǎo)致光傳輸損耗增大，檢測信號的信噪比降低。因此，無法滿足更高檢測靈敏度的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供一種提高光譜檢測氣體濃度靈敏度的方法，利用空心光波導(dǎo)的毛細(xì)特性，通過對空心光波導(dǎo)的主動(dòng)溫度循環(huán)控制，在空心光波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生氣體的快速富集和脫附過程，從而提高以空心光波導(dǎo)為氣體池的光譜檢測氣體的靈敏度，減小空心光波導(dǎo)的長度對檢測靈敏度的限制。本發(fā)明特別適用于以空心光波導(dǎo)為氣體池的光譜檢測方法，用于痕量氣體檢測。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一種提高光譜檢測氣體濃度靈敏度的方法，是:對空心光波導(dǎo)進(jìn)行主動(dòng)溫度控制，使其在低溫時(shí)吸附被測氣體，高溫時(shí)快速脫附被測氣體，使空心光波導(dǎo)中的氣體濃度倍增。本發(fā)明中，空芯光波導(dǎo)既是痕量氣體的取樣部件、也是靈敏度增強(qiáng)的氣體吸附-脫附部件、同時(shí)還是信號檢測的傳感部件。
[0007]利用上述提高光譜檢測氣體濃度靈敏度的方法進(jìn)行痕量氣體濃度的檢測，包括以下步驟:將待測氣體經(jīng)一激光器組件的進(jìn)氣口進(jìn)入所述空心光波導(dǎo)；通過溫度控制器和溫度傳感器控制一制冷機(jī)構(gòu)使所述空心光波導(dǎo)在低溫下保持一段時(shí)間；而后通過所述溫度控制器和溫度傳感器控制一加熱機(jī)構(gòu)使所述空心光波導(dǎo)快速升溫，并在高溫下保持一段時(shí)間；與此同時(shí)，利用光譜檢測的方法實(shí)時(shí)檢測待測氣體光譜信號，該光譜檢測過程中輸出幅值最大的光譜信號是增強(qiáng)后的被測氣體光譜信號；根據(jù)增強(qiáng)后的被測氣體光譜信號計(jì)算痕量氣體的濃度。
[0008]本發(fā)明一種提高光譜檢測氣體濃度靈敏度的裝置，利用該裝置實(shí)現(xiàn)被測氣體的吸附-脫附功能，該裝置包括空心光波導(dǎo)、制冷機(jī)構(gòu)、加熱機(jī)構(gòu)、溫度傳感器和溫度控制器；所述制冷機(jī)構(gòu)對所述空心光波導(dǎo)進(jìn)行制冷，所述加熱機(jī)構(gòu)對所述空心光波導(dǎo)進(jìn)行加熱，所述溫度控制器采集空心光波導(dǎo)的溫度，所述溫度控制器控制所述空心光波導(dǎo)的溫度。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0010]I)利用毛細(xì)管對氣體吸附的性質(zhì)，使低濃度氣體得以快速富集，檢測信號幅值提升，提高檢測靈敏度，減小空心光波導(dǎo)的長度對檢測靈敏度的限制。
[0011]2)通過對空心光波導(dǎo)的溫度控制，使得氣體檢測過程不受環(huán)境溫度的影響。
[0012]3)本方法提供的富集方法是針對氣體的在線檢測方法。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明提高光譜檢測氣體濃度靈敏度的裝置的組裝圖；
[0014]圖2為本發(fā)明提高光譜檢測氣體濃度靈敏度的裝置的爆炸圖；
[0015]圖3為應(yīng)用本發(fā)明方法檢測氣體濃度靈敏度的實(shí)施例一的系統(tǒng)組成圖；
[0016]圖4為應(yīng)用本發(fā)明方法檢測氣體濃度靈敏度的實(shí)施例二的系統(tǒng)組成圖；
[0017]圖5為應(yīng)用本發(fā)明提高拉曼光譜檢測氣體濃度靈敏度的系統(tǒng)組成圖。
[0018]圖中:
[0019]1-空心光波導(dǎo)2-溫度傳感器3-電阻絲
[0020]4-半導(dǎo)體制冷片5-溫度控制器6-信號發(fā)生器
[0021]7-激光驅(qū)動(dòng)器8-紅外激光器9-準(zhǔn)直透鏡
[0022]10-離軸拋物面鏡11-光電檢測器12-前置放大器
[0023]13-鎖相放大器14-A/D采樣芯片15-處理器
[0024]16-進(jìn)氣口 /出氣口17-散熱片18-保溫材料
[0025]19-激光器組件20-光譜儀
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明如下:
[0027]如圖1和圖2所示，本發(fā)明一種提高光譜檢測氣體濃度靈敏度的裝置，該裝置包括空心光波導(dǎo)1、溫度傳感器2、溫度控制器5、加熱機(jī)構(gòu)和制冷機(jī)構(gòu)；所述加熱機(jī)構(gòu)由纏繞在空心光波導(dǎo)I上的電阻絲3構(gòu)成，在纏繞有電阻絲3的空心光波導(dǎo)I的下方設(shè)有制冷機(jī)構(gòu)，該制冷機(jī)構(gòu)由多片串聯(lián)的半導(dǎo)體制冷片4構(gòu)成，所述空心光波導(dǎo)I和半導(dǎo)體制冷片4、電阻絲3之間的空隙填充有導(dǎo)熱硅脂，在多片串聯(lián)的半導(dǎo)體制冷片4的下方設(shè)有散熱片17 ;所述電阻絲3的兩極、所述半導(dǎo)體制冷片4的兩極及溫度傳感器2均分別連接至所述溫度控制器5，在纏繞有電阻絲3的空心光波導(dǎo)I和多片串聯(lián)的半導(dǎo)體制冷片4上覆蓋有保溫材料18。
[0028]本發(fā)明中，加熱機(jī)構(gòu)的的結(jié)構(gòu)除了采用電阻絲之外，還可以應(yīng)用加熱棒或半導(dǎo)體制冷片等制冷結(jié)構(gòu)；制冷機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)除了采用多片串聯(lián)的半導(dǎo)體制冷片4之外，還可以采用液氮制冷結(jié)構(gòu)；當(dāng)然，無論是加熱機(jī)構(gòu)還是制冷機(jī)構(gòu)，并不限于上述所列舉的結(jié)構(gòu)。
[0029]若加熱機(jī)構(gòu)是采用電阻絲結(jié)構(gòu)，則加熱方式是使用螺旋狀的電阻絲3環(huán)繞空心光波導(dǎo)1，通直流電加熱空心光波導(dǎo)1，保溫材料18保證電阻絲3產(chǎn)生的熱量盡量多的用來加熱空心光波導(dǎo)I，增加加熱空心光波導(dǎo)I的效率，使空心光波導(dǎo)I能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速升溫。
[0030]若制冷結(jié)構(gòu)是采用半導(dǎo)體制冷片，則制冷方式是使用多個(gè)半導(dǎo)體制冷片4串聯(lián)后沿空心光波導(dǎo)方向排列，通直流電對空心光波導(dǎo)I進(jìn)行制冷，散熱片17使半導(dǎo)體制冷片4制冷空心光波導(dǎo)I能夠制冷到盡量低的溫度，從而增強(qiáng)吸附作用。在空心光波導(dǎo)I和半導(dǎo)體制冷片4、電阻絲3之間的空隙填充導(dǎo)熱硅脂，以保證它們有良好的熱接觸，增大加熱和制冷的效率。溫度傳感器2實(shí)時(shí)檢測空心光波導(dǎo)I所處環(huán)境的溫度，反饋給溫度控制器5，溫度控制器5通過PID控制輸出pwm的占空比給電阻絲3或半導(dǎo)體制冷片4，使空心光波導(dǎo)I環(huán)境溫度保持在設(shè)定溫度。
[0031]實(shí)施例1:
[0032]如圖3所示，本實(shí)施例1應(yīng)用本發(fā)明提高可調(diào)諧激光吸收光譜直接吸收方法檢測氣體濃度靈敏度，其測量裝置包括本發(fā)明中提供的上述提高光譜檢測氣體濃度靈敏度的裝置、激光驅(qū)動(dòng)器7、檢測器11、前置放大器12和信號處理單元，所述信號處理單元包括信號發(fā)生器6、A/D采樣芯片14和處理器15。本實(shí)施例1是利用調(diào)諧激光吸收光譜直接吸收方法檢測氣體濃度，其工作原理是:信號發(fā)生器6輸出鋸齒電壓信號給激光驅(qū)動(dòng)器7，激光驅(qū)動(dòng)器7調(diào)制激光器8發(fā)出激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡9準(zhǔn)直、離軸拋物面鏡10聚焦耦合進(jìn)入空心光波導(dǎo)I氣體池，激光經(jīng)過空心光波導(dǎo)I吸收后，入射至光電檢測器11，光電檢測器11的輸出信號經(jīng)前置放大器12輸出電信號，該電信號經(jīng)過A/D采樣芯片14傳入處理器15處理得到濃度。
[0033]利用上述測量裝置進(jìn)行痕量氣體濃度的檢測，包括以下步驟:
[0034]待測氣體經(jīng)激光器組件19的進(jìn)氣口 16進(jìn)入空心光波導(dǎo)I，溫度控制器5首先設(shè)為制冷模式，控制半導(dǎo)體制冷片4的電流從而控制空心光波導(dǎo)I的溫度在_20°C，并在該低溫下保持1s以上，保證吸附的氣體分子數(shù)量足夠大。之后對空心光波導(dǎo)I停止制冷，把溫度控制器5設(shè)定為加熱模式，電阻絲3開始加熱，用該電阻絲加熱空心光波導(dǎo)1，并以40°C /s的升溫速率升溫至120°C，并在該高溫下保持1s ;溫度控制器5需要保證每次空心光波導(dǎo)I低溫吸附時(shí)的溫度固定、時(shí)間固定，保證吸附氣體分子數(shù)量的重復(fù)性；與此同時(shí)，在上述空心光波導(dǎo)I溫度變化過程中，信號發(fā)生器6調(diào)制激光驅(qū)動(dòng)器7，激光驅(qū)動(dòng)器7驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧激光器8發(fā)出激光，該激光進(jìn)入到所述空心光波導(dǎo)I內(nèi)被其中的氣體吸收；出射光經(jīng)過光電檢測器11將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，所述電信號經(jīng)前置放大器12放大后輸出電信號，該電