[發(fā)明專利]基于超連續(xù)譜激光的氣體檢測裝置和方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710174688.9
• 申請日: 2017-03-22
• 公開（公告）號: CN106872402A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李紅蓮;方立德;李小亭;李飛超;左孟南
• 申請（專利權(quán)）人: 河北大學(xué)
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 石家莊國域?qū)＠虡?biāo)事務(wù)所有限公司13112
• 代理人: 胡素梅,胡澎

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氣體檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種基于超連續(xù)譜激光的氣體檢測裝置和方法。

背景技術(shù)

氣體檢測方法大體包括兩類：傳統(tǒng)的化學(xué)方法和現(xiàn)代光譜學(xué)方法。傳統(tǒng)的化學(xué)方法具有測量手段直接、測量精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是它需要對待測氣體進(jìn)行預(yù)先取樣，操作繁瑣、不具有時(shí)效性；現(xiàn)代光譜學(xué)方法作為一種光學(xué)檢測手段，它具有選擇性強(qiáng)、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境檢測中應(yīng)用越來越為廣泛。

吸收光譜法作為一種光學(xué)檢測方法，其基本原理是光束通過待測氣體后，經(jīng)其吸收作用使光強(qiáng)減弱，根據(jù)吸收光強(qiáng)多少可以完成氣體的定量分析。自20世紀(jì)60年代激光技術(shù)出現(xiàn)以來，由于激光具有很好的單色性、相干性和高亮性，激光吸收光譜技術(shù)以其不可替代的優(yōu)勢在光譜分析中占據(jù)重要地位。

目前光譜學(xué)檢測技術(shù)主要有以下幾種：差分吸收光譜學(xué)技術(shù)（DOAS）、傅里葉變換紅外光譜技術(shù)（FTIR）、差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)（DIAL）、激光光聲光譜技術(shù)（PAS）和可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）。DOAS技術(shù)測量范圍廣、野外實(shí)驗(yàn)具有較大優(yōu)勢，但是它只適于對“窄帶”吸收特征的痕量氣體進(jìn)行檢測；FTIR技術(shù)探測的重復(fù)性低、運(yùn)用范圍廣泛，但由于技術(shù)算法問題，響應(yīng)時(shí)間較長，且設(shè)備尺寸重量大，不利于維護(hù)；DIAL技術(shù)檢測范圍廣、作用距離遠(yuǎn)、可實(shí)現(xiàn)三維探測，缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜、實(shí)際應(yīng)用受到限制；PAS技術(shù)在現(xiàn)場不穩(wěn)定性情況下，其測量精度變化較大；TDLAS技術(shù)具有分辨率高、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快等特點(diǎn)，缺點(diǎn)是激光器可調(diào)諧范圍較窄，需要對測量環(huán)境溫度有高精度控制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的之一就是提供一種基于超連續(xù)譜激光的氣體檢測裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，不必對其測量溫度進(jìn)行高精度控制，且能實(shí)現(xiàn)對多種氣體的快速、精確檢測。

本發(fā)明的目的之二就是提供一種基于超連續(xù)譜激光的氣體檢測方法，該方法無需對測量溫度進(jìn)行高精度控制，且可實(shí)現(xiàn)對多種氣體的快速、精確檢測。

本發(fā)明的目的之一是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種基于超連續(xù)譜激光的氣體檢測裝置，包括超連續(xù)譜激光器、光學(xué)濾波器、光闌、第三反射鏡、第四反射鏡、吸收池、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)；吸收池本身自帶第一反射鏡和第二反射鏡。通過吸收池的進(jìn)氣口可向吸收池內(nèi)通入待測氣體，進(jìn)氣口與動態(tài)氣體校準(zhǔn)儀相接，動態(tài)氣體校準(zhǔn)儀通過通氣管與氣體瓶相接。

超連續(xù)譜激光器用于產(chǎn)生超連續(xù)譜激光，光學(xué)濾波器用于對超連續(xù)譜激光器所產(chǎn)生的超連續(xù)譜激光進(jìn)行濾波，以使得濾波后的激光波長范圍縮小，且能夠被待測氣體吸收。光闌、第三反射鏡、第四反射鏡、吸收池、動態(tài)氣體校準(zhǔn)儀、氣體瓶和通氣管構(gòu)成光路與氣路部分，光路與氣路部分用于使濾波后的光信號按照預(yù)期的軌跡反射、吸收。光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)構(gòu)成檢測接收與處理部分，檢測接收與處理部分中的計(jì)算機(jī)還與光學(xué)濾波器相接，在計(jì)算機(jī)的控制下，可調(diào)節(jié)光學(xué)濾波器的濾波范圍。經(jīng)光路與氣路部分反射、吸收后的光信號主要被檢測接收與處理部分處理，具體是：吸收后的光信號被光電探測器轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出，數(shù)據(jù)采集卡將特征信號A/D轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，通過LABVIEW軟件編程對信號進(jìn)行接收、MATLAB對數(shù)據(jù)處理，最終得到檢測氣體的種類和濃度數(shù)據(jù)。

超連續(xù)譜激光器主要包括主源、高功率放大器、超連續(xù)譜發(fā)生器和輸出鏡片；所述主源用于產(chǎn)生超連續(xù)譜脈沖激光，所述主源與所述高功率放大器之間通過隔離器相接；所述高功率放大器用于對所述主源輸出的脈沖激光進(jìn)行放大處理；所述超連續(xù)譜發(fā)生器用于對所述高功率放大器輸出的激光的光譜進(jìn)行展寬；所述輸出鏡片用于對所述超連續(xù)譜發(fā)生器輸出的寬譜激光進(jìn)行收集并輸出。

上述裝置可對吸收池內(nèi)的密封氣體進(jìn)行檢測，除此之外，本發(fā)明還提供了一種可對開放式光路中的氣體進(jìn)行檢測的裝置，該裝置具體包括：超連續(xù)譜激光器、光學(xué)濾波器、光闌、若干反射鏡、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)；待測氣體為處于開放式光路中的氣體。超連續(xù)譜激光器用于產(chǎn)生超連續(xù)譜激光，超連續(xù)譜激光依序通過光學(xué)濾波器、光闌、所述若干反射鏡和光電探測器；光電探測器的輸出端通過數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)相接。超連續(xù)譜激光器所產(chǎn)生的超連續(xù)譜激光經(jīng)光學(xué)濾波器和光闌后入射進(jìn)所述若干反射鏡；激光經(jīng)所述若干反射鏡后被反射多次，且反射過程中被開放式光路中的待測氣體吸收部分能量；激光經(jīng)所述若干反射鏡后由光電探測器接收且轉(zhuǎn)化為電壓信號，數(shù)據(jù)采集卡將光電探測器輸出的電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后輸出給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即可得出開放式光路中待測氣體的種類和濃度。