基于兩種量子級聯(lián)激光光譜的多組分氣體同時檢測裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及激光光譜檢測和氣體檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于兩種量子級聯(lián)激 光光譜的多組分氣體同時檢測裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的氣體成分檢測方法主要有化學(xué)方法和光學(xué)方法?；瘜W(xué)方法通常需要對待分 析物進(jìn)行預(yù)處理，過程復(fù)雜、耗時，易破壞樣品的原狀態(tài)及產(chǎn)生二次污染物；光學(xué)光譜方法 具有非接觸性、非破壞、選擇性強(qiáng)和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時原位的連續(xù)分析，使得其被 廣泛地應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)處理控制、燃燒成分檢測和呼吸氣體診斷等領(lǐng)域。
[0003] 常用的光學(xué)光譜方法有直接吸收光譜法和波長調(diào)制光譜法。直接吸收光譜法是 一種基于朗伯-比爾定律的直接檢測方法，該方法通過分析光強(qiáng)的微弱變化量，即可反演 出被檢測樣品的濃度、速度、溫度等信息，但存在易受各種電子學(xué)和光學(xué)噪聲干擾、靈敏度 有限等缺點(diǎn)。波長調(diào)制光譜是結(jié)合鎖相檢測原理，實(shí)現(xiàn)抑制噪聲的高靈敏度間接檢測方法， 但需要通過已知濃度樣品校正后（標(biāo)氣校正），才能獲取其他未知樣品的濃度信息，較為復(fù) 雜。
[0004] 中紅外光譜區(qū)化5-25μm)包含了大多數(shù)氣體分子振轉(zhuǎn)能級的基頻帶，成為高靈 敏度痕量氣體檢測的理想波段。量子級聯(lián)激光器（QCL)作為一種新型的半導(dǎo)體激光，具有 體積小、壽命長、功耗低、線寬窄、功率相對較高和易于集成的特點(diǎn)，已成為中紅外痕量氣體 傳感器研究的理想光源。Q化的寬波長調(diào)諧范圍和快速響應(yīng)特性可實(shí)現(xiàn)對多種氣體分子的 同時高分辨率、高靈敏度檢測。相比于傳統(tǒng)的基于多個近紅外激光器分時掃描的激光時分 多路探測技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)多種氣體同時分析的方法，系統(tǒng)更緊湊，有效測量周期更高。
[0005] 現(xiàn)有的研究中，利用量子級聯(lián)激光器作為光源，單獨(dú)采用直接吸收光譜法或波長 調(diào)制光譜法進(jìn)行氣體檢測都已得到實(shí)際應(yīng)用，如：中國專利公開號分別為CN102175641A和 CN104596987A的發(fā)明專利。前者公開了一種基于中外紅量子級聯(lián)激光器直接吸收光譜法的 痕量氣體檢測裝置及方法，該方法利用脈沖量子級聯(lián)激光器作為光源，單獨(dú)采用直接吸收 光譜法，存在易受各種電子學(xué)和光學(xué)噪聲干擾、靈敏度有限、氣體濃度反演方法可靠性和測 量精度低等缺點(diǎn)；后者公開了一種基于中紅外光譜的長光程開放光路結(jié)合波長調(diào)制技術(shù)的 痕量氣體探測方法和裝置，該方法利用連續(xù)量子級聯(lián)激光器作為光源，單獨(dú)采用波長調(diào)制 光譜法，存在需要額外標(biāo)氣頻繁校正、高壓下壓力加寬效應(yīng)降低靈敏度和可靠性等缺點(diǎn)。
[0006] 實(shí)際應(yīng)用中上述兩種傳統(tǒng)方法都不夠理想。本發(fā)明擬采用同時利用直接吸收光譜 法和波長調(diào)制光譜法對氣體進(jìn)行檢測，此種方法能夠克服只采用一種光譜方法進(jìn)行氣體檢 測時所存在的缺陷，到目前為止，尚未發(fā)現(xiàn)任何關(guān)于同時采用上述兩種基于量子級聯(lián)激光 光譜方法對單一成分氣體或者多組分氣體進(jìn)行檢測的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供一種W室溫下工作的連續(xù)模式中紅外量子級 聯(lián)激光器作為光源，同時利用直接吸收光譜法和波長調(diào)制光譜法，無需外界標(biāo)氣校正、高靈 敏度、高精度的氣體檢測裝置及方法。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)W上技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0009] 基于兩種量子級聯(lián)激光光譜的多組分氣體同時檢測裝置，包括任意波函數(shù)發(fā)生 器、室溫連續(xù)模式中紅外量子級聯(lián)激光器、聚焦準(zhǔn)直Ξ維調(diào)節(jié)系統(tǒng)、第一反射鏡、樣品吸收 池、離軸拋物面鏡、第一探測器、數(shù)據(jù)采集單元和計算機(jī)，所述室溫連續(xù)模式中紅外量子級 聯(lián)激光器具有溫度控制單元和電流控制單元；
[0010] 所述任意波函數(shù)發(fā)生器輸出只在任意半周期內(nèi)疊加調(diào)制信號的周期性信號作為 室溫連續(xù)模式中紅外量子級聯(lián)激光器的電流驅(qū)動信號，所述電流驅(qū)動信號通過電流控制單 元對室溫連續(xù)模式中紅外量子級聯(lián)激光器的注入電流進(jìn)行驅(qū)動；
[0011] 所述室溫連續(xù)模式中紅外量子級聯(lián)激光器作為光源發(fā)出激光信號；
[0012] 所述聚焦準(zhǔn)直Ξ維調(diào)節(jié)系統(tǒng)對激光信號進(jìn)行聚焦準(zhǔn)直；
[0013] 所述第一反射鏡將聚焦準(zhǔn)直后的激光信號禪合到樣品吸收池；
[0014] 所述樣品吸收池充有待測氣體，所述激光信號在樣品吸收池內(nèi)被氣體分子吸收后 出射到離軸拋物面鏡；
[0015] 所述離軸拋物面鏡將激光信號聚集到第一探測器；
[0016] 所述第一探測器將接收到的激光信號通過數(shù)據(jù)采集單元轉(zhuǎn)化為電信號并傳輸給 計算機(jī)；
[0017] 所述計算機(jī)對電信號進(jìn)行分析處理得出待測氣體信息。
[0018] 工作時，任意波函數(shù)發(fā)生器輸出只在任意半周期內(nèi)疊加調(diào)制信號的周期性信號作 為激光器的電流驅(qū)動信號，通過電流控制單元對室溫連續(xù)模式中紅外量子級聯(lián)激光器的注 入電流進(jìn)行驅(qū)動，激光器發(fā)出一定頻率范圍的激光信號，然后激光信號經(jīng)聚焦準(zhǔn)直Ξ維調(diào) 節(jié)系統(tǒng)聚焦準(zhǔn)直后由第一反射鏡禪合進(jìn)入樣品吸收池，激光信號在樣品吸收池內(nèi)被氣體分 子吸收后出射到離軸拋物面鏡，離軸拋物面鏡將其聚集到第一探測器上，然后經(jīng)數(shù)據(jù)采集 單元將光信號轉(zhuǎn)化成電信號后傳輸給計算機(jī)進(jìn)行分析處理，計算機(jī)對不帶調(diào)制信號的進(jìn)行 直接吸收光譜分析，對帶有調(diào)制信號的進(jìn)行波長調(diào)制光譜分析。
[0019] 從上述描述可W看出，本技術(shù)方案具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0020] (1)任意波函數(shù)發(fā)生器輸出的只在任意半周期內(nèi)疊加調(diào)制信號的周期性信號不僅 能夠滿足同時實(shí)現(xiàn)直接吸收光譜法和波長調(diào)制光譜法的需求，而且其中的調(diào)制信號能夠使 得不同分子的調(diào)制系數(shù)分別最佳化，實(shí)現(xiàn)最佳化探測每個分子，從而提高系統(tǒng)靈敏度；通過 降低采樣壓力，避免了高壓下壓力加寬效應(yīng)引起的分子自身或分子間吸收干擾效應(yīng)，提高 了系統(tǒng)測量的可靠性。
[0021] (2)利用高信噪比的直接吸收光譜反演的氣體信息，為基于Ubview數(shù)字鎖相的 波長調(diào)制光譜分析氣體信息過程提供校正，校正后即可通過波長調(diào)制光譜更精確地反演出 其他待分析樣品濃度信息，兩種光譜方法取長補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)高靈敏和高精度氣體分析。
[0022] (3)直接吸收光譜分析方法相比于傳統(tǒng)的只利用吸收譜線中屯、位置處吸收深度反 演氣體濃度信息的方法，受噪聲干擾小，反演算法可靠性和精確度更高；波長調(diào)制光譜分析 方法利用多元線性回歸分析算法對未知濃度的樣品信息進(jìn)行反演，與傳統(tǒng)校正方法中只利 用二次諧波信號中單個峰值大小進(jìn)行校正相比，不易受各種噪聲干擾的影響，測量誤差小。
[0023] 作為改進(jìn)，還包括分束器、參考吸收池和第二探測器，所述分束器設(shè)在聚焦準(zhǔn)直Ξ維調(diào)節(jié)系統(tǒng)和第一反射鏡之間，用于將聚焦準(zhǔn)直Ξ維調(diào)節(jié)系統(tǒng)聚焦準(zhǔn)直后的激光信號分 束，一部分激光信號經(jīng)分束器反射進(jìn)入?yún)⒖嘉粘兀硪徊糠旨す庑盘柦?jīng)分束器透射到第 一反射鏡，所述參考吸收池為單通吸收池且充有純的待測氣體，所述進(jìn)入?yún)⒖嘉粘氐募?光信號被氣體分子吸收后出射到第二探測器，所述第二探測器將接收到的激光信號通過數(shù) 據(jù)采集單元轉(zhuǎn)化為電信號并傳輸給計算機(jī)，所述計算機(jī)對電信號進(jìn)行分析處理得出室溫連 續(xù)模式中紅外量子級聯(lián)激光器的中屯、頻率漂移信息并將其反饋給電流控制單元，所述電流 控制單元根據(jù)接收到的中屯、頻率漂移信息，進(jìn)行電流補(bǔ)償，穩(wěn)定室溫連續(xù)模式中紅外量子 級聯(lián)激光器的中屯、頻率；
[0024] 利用參考吸收池光路獲得室溫連續(xù)模式中紅外量子級聯(lián)激光器的中屯、頻率漂移 信息，根據(jù)中屯、頻率漂移信息實(shí)時調(diào)整室溫連續(xù)模式中紅外量子級聯(lián)激光器的偏置電流， 實(shí)現(xiàn)對激光中屯、波長的實(shí)時鎖定，提高檢測裝置穩(wěn)定性和測量精度。
[00巧]作為改進(jìn)，還包括分束器、標(biāo)準(zhǔn)具和第二探測器，所述分束器設(shè)在聚焦準(zhǔn)直Ξ維調(diào) 節(jié)系統(tǒng)和第一反射鏡之間，用于將聚焦準(zhǔn)直Ξ維調(diào)節(jié)系統(tǒng)聚焦準(zhǔn)直后的激光信號分束，一 部分激光信號經(jīng)分束器反射進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)具，另一部分激光信號經(jīng)分束器透射到第一反射鏡， 所述進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)具的激光信號在標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)產(chǎn)生干設(shè)后出射到第二探測器，所述第二探測器將 接收到的激光信號通過數(shù)據(jù)采集單元轉(zhuǎn)化為電信號并傳輸給計算機(jī)，所述計算機(jī)對接收到 的電信號進(jìn)行分析處理得出室溫連續(xù)模式中紅外量子級聯(lián)激光器的相對波長調(diào)諧范圍。 [00%] 利用標(biāo)準(zhǔn)具光路獲得室溫連續(xù)模式中紅外量子級聯(lián)激光器的相對波長調(diào)諧范圍， 再結(jié)合HITRAN光譜數(shù)據(jù)庫中提供的分子譜線參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對室溫連續(xù)模式中紅外量子級聯(lián) 激光器波長調(diào)諧范圍的絕對校正，從而提高測量精度。
[0027] 作為改進(jìn)，還包括指示光源、第二反射鏡和半反半透鏡，所述半反半透鏡設(shè)在聚焦 準(zhǔn)直Ξ維調(diào)節(jié)系統(tǒng)和第一反射鏡之間，所述指示光源產(chǎn)生可見光信號，