一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)同時測量多組分氣體的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)同時測量多組分氣體的方法，寬調(diào)諧光源輸出光束進入到兩端裝有平凹高反射率腔鏡的氣體池，氣體池內(nèi)充入在激光器調(diào)諧范圍內(nèi)有吸收光譜的多組分混合氣體。對激光器輸出波長進行調(diào)諧，探測不同波長下的衰蕩信號，通過單指數(shù)擬合獲得不同波長下的衰蕩時間，進而得到吸收系數(shù)與波長的關(guān)系曲線。對測得的混合氣體譜線與數(shù)據(jù)庫中各單個氣體的標準吸收譜線做擬合處理，可以同時計算獲得混合氣體中不同氣體的濃度。本發(fā)明利用寬調(diào)諧的激光光源可以獲得內(nèi)容更豐富的氣體吸收譜，可以同時對多種氣體進行實時測量，可以對具有寬譜吸收的大分子進行濃度檢測，檢測結(jié)果不受光源波動的影響。
【專利說明】
一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)同時測量多組分氣體的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及氣體濃度檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)同時測 量多組分氣體的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多組分氣體檢測技術(shù)是工業(yè)生產(chǎn)過程控制、環(huán)境監(jiān)測、國家安全等領(lǐng)域必備的重 要檢測手段。特別是在大氣環(huán)境檢測中，常見的污染氣體種類較多，迫切需要具有多組分、 高靈敏度、實時檢測的方法。傳統(tǒng)的測量方法是利用多個電化學(xué)傳感器來對不同的氣體進 行測量，但是該方法測試精度有限，很難滿足低濃度的目標氣體檢測。
[0003] 目前，利用氣體所具有的紅外光譜特性來進行氣體檢測的方法已經(jīng)得到了發(fā)展。 其中，光腔衰蕩技術(shù)作為一種高靈敏的光譜檢測技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于氣體檢測領(lǐng)域。它通過 測量激光在衰蕩腔內(nèi)的衰蕩時間確定腔內(nèi)總損耗，在腔內(nèi)充入吸收介質(zhì)時可測量其吸收光 譜、濃度等信息，從而避免了激光束自身強度漂移的影響。
[0004] 通常的多組分氣體光學(xué)檢測方法是選擇多個不同的波長，分別對不同的目標氣體 進行檢測。這些波長附近，其它氣體沒有吸收或者吸收很小可以忽略，所以對單個目標氣體 的吸收沒有干擾。可以分別得到不同組分氣體在各自吸收峰處的吸收系數(shù)，進而獲得氣體 的濃度信息。這會增加測試裝置的復(fù)雜性，提高成本。此外在實際應(yīng)用中，很多目標氣體是 大分子氣體或者具有復(fù)雜轉(zhuǎn)振結(jié)構(gòu)的揮發(fā)氣體，這些氣體的特征吸收峰很寬，對于不同組 分氣體的混合氣，其吸收光譜是交疊的，相互之間存在干擾，通過選擇不同測量波長的方法 難以避免其它氣體的干擾，無法實現(xiàn)對其濃度的檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:針對傳統(tǒng)多組分氣體檢測儀器精度不足、現(xiàn)有的光 學(xué)檢測方法難以對具有寬譜吸收特征的氣體進行多組分同時測量的問題，提出一種基于光 腔衰蕩光譜技術(shù)的多組分氣體濃度測量方法，具有測量靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉且可 實現(xiàn)多組分氣體同時測量的優(yōu)點。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)同時測 量多組分氣體的方法，實現(xiàn)步驟如下：
[0007] 步驟(1)、波長可調(diào)諧激光入射到兩端裝有平凹高反射率腔鏡的氣體池，兩平凹高 反射鏡凹面相對構(gòu)成穩(wěn)定的衰蕩腔，部分光從一端耦合進入腔內(nèi)，在兩個高反射鏡之間來 回反射，在另一端輸出的光經(jīng)聚焦透鏡聚焦到探測器上，得到衰蕩腔輸出信號；
[0008] 步驟(2)、調(diào)諧激光器輸出波長，關(guān)斷入射光，由數(shù)據(jù)采集卡記錄各波長A下光腔輸 出的衰蕩信號，并按單指數(shù)衰減函數(shù)擬合得各波長A下的衰蕩時間4A)，然后利用關(guān)系式
計算得到各波長X下的氣體吸收系數(shù)a(A)，進而可繪制吸收系數(shù)a(A)與 波長A關(guān)系曲線，即氣體吸收光譜，其中R為腔內(nèi)沒有吸收時的衰蕩時間，c為光速；
[0009] 步驟(3)、利用公式a(A) = Ec1Xk1(A)擬合得到各組分氣體的吸收系數(shù)占所測多 組分混合氣吸收系數(shù)的比例 Cl，進而可計算出各組分氣體濃度，其中kjA)是標準數(shù)據(jù)庫中 給出的各組分標準濃度氣體吸收系數(shù)譜。
[0010] 其中，所述的構(gòu)成衰蕩腔的兩塊平凹高反射鏡的反射率在激光器掃描范圍內(nèi)大于 99.9%，所構(gòu)成的衰蕩腔為穩(wěn)定腔或者共焦腔，腔長L滿足0〈L<2r，其中r為平凹高反鏡凹 面的曲率半徑。
[0011] 其中，所述的光源是可寬調(diào)諧的連續(xù)激光器，其調(diào)諧范圍應(yīng)覆蓋待測寬譜吸收氣 體一個完整的吸收峰輪廓。
[0012] 其中，所述的方法中利用光隔離器防止腔鏡的直接反射光反饋回激光器，以免對 激光器輸出產(chǎn)生影響；利用聲光調(diào)制器關(guān)斷連續(xù)的激光束產(chǎn)生衰蕩信號，當(dāng)探測器探測到 的光信號大于設(shè)定的閾值時，計算機產(chǎn)生一個觸發(fā)信號控制聲光調(diào)制器關(guān)斷入射光。
[0013] 其中，所述的窄線寬激光與衰蕩腔的耦合可通過腔長調(diào)制實現(xiàn)。
[0014] 其中，所述的各組分氣體的吸收光譜與壓力和溫度相關(guān)，通過在氣體池中集成溫 度和壓力檢測裝置對檢測過程中氣體池內(nèi)氣體狀態(tài)實時監(jiān)控。
[0015] 本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點：
[0016] (1)本發(fā)明通過測量光在光腔中的衰蕩時間間接獲得吸收系數(shù)，所測結(jié)果不受激 光器光強波動的影響，具有較高的信噪比和抗干擾能力；
[0017] (2)本發(fā)明系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)簡單，易于搭建調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)處理十分方便，大大降低了測 量的成本；
[0018] (3)本發(fā)明所述的激光器波長可寬調(diào)諧，覆蓋波長范圍很廣，可以實現(xiàn)多組分氣體 同時、高精度測量，特別是能夠?qū)哂袑捵V吸收特征的氣體進行測量。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明的基于光腔衰蕩光譜技術(shù)的多組分氣體同時測量裝置示意圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明的實施例的氣體的吸收光譜曲線的擬合結(jié)果；
[0021] 圖1中：1為光源，2為光隔離器，3為聲光調(diào)制器，4為633nm的He-Ne激光器，5為測量 腔，6為探測器，7為高速數(shù)字采集卡，8為計算機，9為函數(shù)發(fā)生器，10為溫度傳感器，11為壓 力傳感器，12為真空栗，13為聚焦透鏡，14為壓電陶瓷，15為分光鏡，16為光源波長調(diào)諧控制 器。
【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖1描述本發(fā)明的基于光腔衰蕩光譜技術(shù)的多組氣體同時測量方法。
[0023] 本實施例以高光束質(zhì)量(TEMoo模）的寬調(diào)諧量子級聯(lián)激光器為光源1，調(diào)諧范圍為 2600-2725CHT1，最小調(diào)諧步長O.Olcnf 1;由兩塊相同的、凹面鍍高反射膜的平凹高反射鏡 (反射率大于99.9 % )凹面相對構(gòu)成衰蕩腔，衰蕩腔為穩(wěn)定腔或共焦腔，腔長L滿足0<L< 2r，其中r為腔鏡凹面的曲率半徑;衰蕩腔鏡安裝于氣體池兩端，衰蕩腔與樣品池組成密封 的測量腔5;激光光束經(jīng)光隔離器2和聲光調(diào)制器3后進入衰蕩腔并在腔內(nèi)振蕩傳輸，從衰蕩 腔后腔鏡透射的激光束由聚焦透鏡13會聚到快速紅外探測器6,探測器6將光信號轉(zhuǎn)化成電 信號，轉(zhuǎn)換后的電信號由數(shù)據(jù)采集卡7記錄并輸入計算機8處理及存儲;在其中一個腔鏡上 安裝壓電陶瓷(PZT)14,由函數(shù)發(fā)生器9產(chǎn)生三角波信號周期性驅(qū)動壓電陶瓷14來調(diào)諧衰蕩 腔長，以實現(xiàn)窄線寬激光與諧振腔的耦合。為便于光路調(diào)節(jié)由高反鏡和分光鏡15引入可見 的He-Ne光源4。
[0024]由于酒精和乙醚在激光器調(diào)諧范圍內(nèi)存在吸收，下面以酒精和乙醚的混合氣光譜 測量為例，介紹基于光腔衰蕩光譜技術(shù)的多組氣體同時測量方法的具體步驟。
[0025] 首先腔內(nèi)充入干燥的酒精、乙醚氣體和氮氣的混合氣體，利用壓力控制裝置12保 證腔內(nèi)壓強穩(wěn)定，調(diào)節(jié)兩個腔鏡俯仰使光腔輸出信號幅值最大，通過激光器的波長控制器 16來調(diào)諧量子級聯(lián)激光器輸出波長，調(diào)諧步長為0.2CHT 1。當(dāng)探測器6探測到的光信號大于設(shè) 定的閾值時，計算機8產(chǎn)生一個觸發(fā)信號傳遞給聲光調(diào)制器3用于關(guān)斷入射光，由數(shù)據(jù)采集 卡7記錄各波長A下光腔輸出的衰蕩信號，并按單指數(shù)衰減函數(shù)+ 測數(shù)據(jù)進行擬合，得到各波長A下的衰蕩時間t(A)，其中A、B為擬合系數(shù);進而計算得到氣體 吸收系數(shù)a 〇)。
[0026] 然后繪制出氣體吸收系數(shù)a(A)與A的氣體吸收光譜曲線如圖2所示，并對該曲線按 照a(A) = E Ci X ki(A)進行擬合處理，進而分別計算得到酒精和乙醚的濃度分別為14.75ppm 和6.65ppm，這里ki (A)是紅外光譜數(shù)據(jù)庫中已知濃度的酒精和乙醚吸收系數(shù)。
[0027]總之，本發(fā)明提出了基于光腔衰蕩光譜技術(shù)的多組氣體同時測量方法，其測量結(jié) 果不受激光器強度波動的影響，該方法的具有結(jié)構(gòu)簡單，覆蓋波長范圍廣，測量精度高，抗 干擾能力強等優(yōu)點。
【主權(quán)項】
1. 一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)同時測量多組分氣體的方法，其特征在于：實現(xiàn)步驟如 下： 步驟（1)、波長可調(diào)諧激光入射到兩端裝有平凹高反射率腔鏡的氣體池，兩平凹高反射 鏡凹面相對構(gòu)成穩(wěn)定的衰蕩腔，部分光從一端禪合進入腔內(nèi)，在兩個高反射鏡之間來回反 射，在另一端輸出的光經(jīng)聚焦透鏡聚焦到探測器上，得到衰蕩腔輸出信號；步驟(2)、調(diào)諧激光器輸出波長，關(guān)斷入射光，由數(shù)據(jù)采集卡記錄各波長A下光腔輸出的 心心M心趨衰減函數(shù)擬合得各波長A下的衰蕩時間T(A),然后利用關(guān)系式 算得到各波長A下的氣體吸收系數(shù)Ci(A)，進而可繪制吸收系數(shù)a(A)與 波長A關(guān)系曲線，即氣體吸收光譜，其中TO為腔內(nèi)沒有吸收時的衰蕩時間，C為光速； 步驟(3)、利用公式a(A) = EciXki(A)擬合得到各組分氣體的吸收系數(shù)占所測多組分 混合氣吸收系數(shù)的比例Cl,進而可計算出各組分氣體濃度，其中ki(A)是標準數(shù)據(jù)庫中給出 的各組分標準濃度氣體吸收系數(shù)譜。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)同時測量多組分氣體的方法，其 特征在于:構(gòu)成衰蕩腔的兩塊平凹高反射鏡的反射率在激光器掃描范圍內(nèi)大于99.9%，所 構(gòu)成的衰蕩腔為穩(wěn)定腔或者共焦腔，腔長L滿足0<L《化，其中r為平凹高反鏡凹面的曲率半 徑。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)同時測量多組分氣體的方法，其 特征在于:光源是可寬調(diào)諧的連續(xù)激光器，其調(diào)諧范圍應(yīng)覆蓋待測寬譜吸收氣體一個完整 的吸收峰輪廓。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)同時測量多組分氣體的方法，其 特征在于:利用光隔離器防止腔鏡的直接反射光反饋回激光器，W免對激光器輸出產(chǎn)生影 響；利用聲光調(diào)制器關(guān)斷連續(xù)的激光束產(chǎn)生衰蕩信號，當(dāng)探測器探測到的光信號大于設(shè)定 的闊值時，計算機產(chǎn)生一個觸發(fā)信號控制聲光調(diào)制器關(guān)斷入射光。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)同時測量多組分氣體的方法，其 特征在于:窄線寬激光與衰蕩腔的禪合可通過腔長調(diào)制實現(xiàn)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光腔衰蕩光譜技術(shù)同時測量多組分氣體的方法，其 特征在于:各組分氣體的吸收光譜與壓力和溫度相關(guān)，通過在氣體池中集成溫度和壓力檢 測裝置對檢測過程中氣體池內(nèi)氣體狀態(tài)實時監(jiān)控。
【文檔編號】G01N21/39GK105911020SQ201610237126
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】李斌成, 周勝, 韓艷玲
【申請人】中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所