[發明專利]一種檢測多組分痕量氣體濃度的方法與裝置

有效

• 申請號: 201711238995.5
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN108007901B
• 公開（公告）日: 2019-11-12
• 發明（設計）人: 何興道;程濤;吳濤
• 申請（專利權）人: 南昌航空大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 南昌洪達專利事務所 36111
• 代理人: 劉凌峰

本發明公開了一種將激光吸收光譜技術應用于痕量氣體濃度檢測的方法與裝置。采用可調諧激光器作為光源，根據目標氣體分子的特征吸收譜線選擇測量波段，將所測得的數據與HITRAN標準數據庫對比，利用測得的吸收光譜信號對濃度進行反演。裝置結構簡單，操作簡便，響應時間短。通過在吸收池后方放置一面全反鏡，使投射過諧振腔的激光經反射再次進入諧振腔與腔內氣體作用，提高了系統靈敏度。通過改變激光器的發射波長，可實現對多組分氣體中各種痕量氣體進行精確探測。

技術領域

本發明屬于激光吸收光譜領域，具體涉及一種多組分氣體中各痕量氣體濃度檢測裝置。

背景技術

痕量氣體檢測如今在各大領域應用越來越廣泛，包括工業、環境、醫療以及石油、化工、冶金等存在易燃、易爆、毒性氣體的危險場所等。近年來大氣環境問題日益突出，隨著全球氣候變暖，大氣中溫室氣體的濃度也在不斷提高，而環境檢測方面，對大氣中污染痕量氣體準確定量檢測非常重要。

痕量氣體檢測的方法主要包括質譜分析、電子鼻以及光譜學檢測等。質譜分析是非常敏感的，能夠檢測非常少量的分析物分子。然而，當存在幾種分子時，質譜分析難以鑒定混合物的各成分。為了解決這個問題，質譜分析通常與氣相色譜聯合使用，以便在測量之前分離混合物的各種組分，但仍需較長時間來進行測量。電子鼻得到的是樣品中揮發成分的整體信息，無法得到各種成分定性和定量的結果。如果待測樣品成分相當較為復雜，對檢測結果也會造成一定影響。

隨著激光器的迅速發展，激光技術的發展蒸蒸日上，激光器因其功率高、單色性好、光強穩定等特點，在工業、環境、醫療等領域產生了重大影響。光學儀器變得越來越便宜，更緊湊可靠，設計用于檢測痕量氣體的光學檢測系統也越來越多。伴隨著激光器性能和制造技術的不斷進步以及激光光譜技術的日趨成熟，高靈敏度的激光光譜技術已經應用到制造業、工業、環境、醫療等諸多行業。將激光吸收光譜用于痕量氣體濃度測量，結合了高靈敏度和高選擇性，根據目標氣體的特征吸收譜線調諧激光器的發射波長實現對痕量氣體進行精確探測。

發明內容

本發明針對上述問題，提出了一種基于直接吸收光譜法對目標氣體中多種痕量氣體檢測裝置及方法，針對所測氣體選取特征吸收譜線，以可調諧激光器作為光源。檢測系統結構簡單，靈敏度高，易于操作，通過在吸收池后方放置一面全反鏡，使投射過諧振腔的激光經反射再次進入諧振腔與腔內氣體作用，提高了系統靈敏度。對于測量不同氣體只需改變激光器的發射波長，從而更加全面地對氣體中各種痕量氣體進行精確探測。

本發明通過以下技術方案實現：具體包括以下步驟：

（1）、根據所測氣體特征吸收譜線以設定激光器（1）中心波長，通過激光控制單元（14）周期性改變激光器電流掃描波長，輸出的激光通過光隔離器，抑制來自諧振腔的光學反饋；前方設有二道反射鏡和合束片（4），通過第一反射鏡（5）和第二反射鏡（6）使激光上下左右可調，以此擴大光路的調節范圍；偏振耦合鏡（7）前方放置1/4波片（8），改變激光的偏振態；激光耦合到氣體吸收池（11），在氣體吸收池（11）后方放置一面全反鏡（12），使投射過諧振腔的激光經反射再次進入諧振腔與腔內氣體作用；反射回激光經1/4波片（8），此時激光的偏振態與原激光正交，再經偏振耦合鏡（7）反射到光電探測器（13），由數據采集卡（15）對探測到的吸收信號進行采集，最終在計算機（16）中進行顯示與存儲，得到所測氣體的吸收光譜信號；系統也可采用腔衰蕩吸收光譜技術，可在第二反射鏡（6）后方增加聲光調制器（17），實驗中分別測量空腔的衰蕩時間和腔內含有目標氣體時的衰蕩時間，從而得到目標氣體的吸收系數。此外，采用不可見光作為光源時，還包括633nm的He-Ne激光器（3）所發出的紅光經合束片（4）所為指示光，輔助調節光路；

（2）、對于測量多組分氣體中目標氣體，根據所測氣體特征吸收譜線以選取測量波段；譜線的選取首先應當避免與其他氣體交叉干擾，其次為滿足檢測精確度和靈敏度的要求，選擇線強最強的譜線；