[發明專利]利用積分球結合二極管激光吸收光譜技術的氣體濃度監測裝置及基于該監測裝置的監測方法

無效

• 申請號: 201210315214.9
• 申請日: 2012-08-30
• 公開（公告）號: CN102830088A
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發明（設計）人: 高強;張治國;曹文武
• 申請（專利權）人: 昆山昱翌輝華電子科技有限公司
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 張宏威

技術領域

本發明涉及一種氣體濃度監測裝置及基于該監測裝置的監測方法。?

背景技術

氣體濃度實時在線監測在工業生產、生物醫藥及環境監測領域都具有非常重要的意義。在各種氣體監測技術日益成熟的今天，人們在追求高靈敏度的同時也在追求儀器的小型化和低成本。?

可調諧二極管激光吸收光譜技術（Tunable?diode?laser?absorption?spectroscopy-TDLAS）具有高靈敏、高分辨、高速度、可實時在線監測的優點使其成為目前光學氣體監測的主流方法。為了提高探測靈敏度，在TDLAS的基礎上增加光程是提高探測靈敏度的最直接有效的手段。多通池具有很強的延長光程的能力，也是目前最常用光程延長方法，但多通池對入射角有一定的要求才能實現較好的光路延長，而且入射角微小的變化都會導致很大的光程改變，所以穩定性及重復性較差，而其內部精密的光學器件又導致多通池具有較高的價格，進而提高整個探測系統的成本。?

積分球（Integrating?Spheres，IS）是通常被用來測量光照度的裝置，由于其內部特殊的球腔結構，對于入射到積分球內部的光起到平均延長的作用，故可將氣體池應用于氣體檢測領域中。而且由于積分球外形緊湊，空間占用率較小，且價格低廉，非常適合開發高靈敏、低成本、小型化的氣體監測裝置。?

發明內容

本發明是為了解決現有的氣體濃度監測裝置的靈敏度低、小型化程度差的問題，從而提供一種利用積分球結合二極管激光吸收光譜技術的氣體濃度監測裝置及基于該監測裝置的監測方法。?

利用積分球結合二極管激光吸收光譜技術的氣體濃度監測裝置，其特征是：它包括調制正弦波信號發生器、掃描鋸齒波信號發生器、耦合器、電流控制器、可調諧二極管激光器、準直透鏡、積分球、聚焦透鏡、光探測器、采集卡和計算機；?

調制正弦波信號發生器的調制正弦波信號輸出端與耦合器的調制正弦波信號輸入端連接；掃描鋸齒波信號發生器的掃描鋸齒波信號輸出端與耦合器的掃描鋸齒波信號輸入端連接；耦合器的耦合后信號輸出端與電流控制器的耦合后信號輸入端連接；電流控制器的?控制信號輸出端與可調諧二極管激光器的控制信號輸入端連接；?

可調諧二極管激光器發出激光光束，所述激光光束入射至準直透鏡，經所述準直透鏡透射后通過積分球的入光孔入射進積分球內，并在積分球內多次均勻散射形成均勻光場，部分散射光通過積分球的出射孔入射至聚焦透鏡，經所述聚焦透鏡聚焦至光探測器的感光面；?

所述光探測器的電信號輸出端與采集卡的電信號輸入端連接；調制正弦波信號發生器的觸發信號輸出端與采集卡的觸發信號輸入端連接；采集卡的探測信號輸出端與計算機的PCI接口的連接。?

基于上述裝置的利用積分球結合二極管激光吸收光譜技術的氣體濃度監測方法，它由以下步驟實現：?

步驟一、將待測氣體充入積分球內；采用調制正弦波信號發生器產生調制正弦波信號；采用掃描鋸齒波信號發生器產生掃描鋸齒波信號；?

步驟二、采用耦合器將步驟一中產生的調制正弦波信號和掃描鋸齒波信號進行耦合，并將耦合后的信號輸入至電流控制器；?

步驟三、電流控制器根據步驟二中的耦合后的信號控制可調諧二極管激光器的工作電流參數和工作溫度參數，可調諧二極管激光器根據所述工作電流參數和工作溫度參數產生激光光束；?

步驟四、采用準直透鏡對步驟三產生的激光光束進行準直，所述準直后的激光光束通過積分球的入光孔入射進積分球內，并在積分球內的待測氣體中進行多次均勻散射形成均勻光場，同時與待測氣體相互作用，部分散射光通過積分球的出射孔出射；采用聚焦透鏡將多路反射光聚焦至光探測器的感光面；?

步驟五、采用調制正弦波信號發生器產生TTL觸發信號，觸發采集卡實時采集光探測器輸出的信號；并輸入至計算機中；?

步驟六、計算機將采集卡發送的信號進行解調，獲得吸收信號，將所述吸收信號根據比爾吸收定律和積分球等效路徑計算出待測氣體的濃度；實現利用積分球結合二極管激光吸收光譜技術的氣體濃度監測。?

本發明能夠實現氣體濃度的實時監測，其高靈敏度、低成本低、小型化程度好。本發明在繼承TDLAS技術優勢的基礎上，利用積分球延長光程，進一步提高探測靈敏度。由于積分球外觀緊湊，非常便于儀器的小型化，而且與多通池相比成本非常低廉。積分球對入射角沒有要求，提高測量的穩定性和重復性，同時還具有響應速度快、可靠性高、維護?簡單、實時性強、在線監測等優點。?

附圖說明