[發明專利]一種基于空心光纖的便攜式差分吸收光譜氣體測量系統

在審

• 申請號: 201711284414.1
• 申請日: 2017-12-07
• 公開（公告）號: CN108051384A
• 公開（公告）日: 2018-05-18
• 發明（設計）人: 段俊;秦敏;方武;梁帥西;唐科;孟凡昊;謝品華;劉文清
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31;G01N21/33
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

本發明公開了一種基于空心光纖的便攜式紫外吸收光譜氣體測量系統，由光源，光纖接頭，空心光纖，探測器，氣泵和鋰電池等構成。光源發出的光輻射直接耦合進入空心光纖，同時，采樣氣流也通過光纖接頭進入空心光纖，光輻射在充滿采樣氣流的空心光纖內傳輸至光譜儀探測器，獲得吸收光譜。該系統結合空心光纖特點，將樣品吸收池與傳統晶體光纖相融合，極大簡化了傳統便攜式差分吸收光譜測量系統結構。該系統可根據實際探測需求，通過增加空心光纖長度來提高待測氣體的光學吸收厚度；空心光纖采用圓形多層繞行疊放排列方式，在較小的空間范圍實現很長的吸收光程。本發明具備高靈敏度、高精度和輕量化的特點，且無需外部供電，實現待測氣體快速監測。

技術領域

本發明屬于一種光學測量方法領域，具體涉及一種基于空心光纖的便攜式差分吸收光譜氣體測量系統。

背景技術

20世紀70年代，差分吸收光譜技術(DOAS)由德國Heidelberg大學環境物理研究所的U.Platt等人提出，該技術主要是以大氣中的痕量污染氣體對紫外和可見波段的特征吸收為基礎，通過特征吸收光譜對大氣污染氣體進行定性識別和定量檢測。DOAS技術基于分子的寬帶光譜吸收原理，利用空氣中的污染成份對UV/VIS波段的吸收特征來定量分析，即每種污染氣體都有其獨特的“指紋”吸收光譜特征的，具有原位在線測量、多組分氣體同時測量、測量精度高、可實時在線監測等優點，目前已廣泛應用于大氣痕量氣體成份的探測及污染應急監測。

經典差分吸收光譜氣體測量系統采用開放光路設計，其體積較大，且不易攜帶。隨著光電技術的快速發展，光學器件趨于小型化，國內外出現了采用多次反射池的便攜式紫外現場分析系統，該系統將差分吸收光譜技術、光纖光譜儀與多次反射池技術相結合，具有小型、便攜的特點，在污染重的區域、工廠、車間、室內以及污染泄漏事故中的移動快速應急監測，實現紫外吸收光譜的高效測量，在具有較低的檢測下限的同時也滿足便攜式測量的目的，且能夠滿足移動快速的應急監測，但其光學結構相對復雜，對機械加工和紫外鏡片鍍膜等工藝較高，且系統體積仍相對較大，重量較重。

近年，出現了一種新型的帶隙空心光子晶體光纖，圖1所示為典型空心光纖產品端面圖。這種光纖在外觀上與傳統光纖相同，但空心光子晶體光纖的導光機制與傳統光纖完全不同，并非在二氧化硅基質中傳播，它是由空氣包層的光子帶隙效應將光限制在空氣纖芯中傳輸的，光線穿過空心到達邊沿時，光子晶體會彈回光子新型的空心光子帶隙纖維，通過在光纖包層中產生光子帶隙可以將光限制在中央的空心核中傳播。正是空心光纖的這種特性，使本發明成為可能。

發明內容

本發明要解決的技術問題為：克服現有技術不足，基于空心光纖的便攜式差分吸收光譜氣體測量系統具備高靈敏度、高精度、小型化和輕量化的特點，該系統采用空心光纖設計，樣品吸收池與光學傳導裝置相重合，實現了光學耦合系統、樣品吸收池和傳統晶體光纖的作用，使光輻射在采樣氣流中傳播，極大簡化了傳統便攜式差分吸收光譜測量系統結構，實現吸收光譜的高效測量，在具有較低的檢測下限的同時也滿足便攜式測量的目的，且能夠滿足移動快速的應急監測。

本發明解決上述技術問題采用的技術方案為：一種基于空心光纖的便攜式差分吸收光譜氣體測量系統，包括光源，光纖接頭，空心光纖，光譜儀探測器，進樣管，氣溶膠過濾器，氣泵等。光源發出的光輻射直接耦合進入空心光纖，同時，采樣氣流也通過進樣管傳輸至光纖接頭進入空心光纖，光輻射在充滿采樣氣流的空心光纖內傳輸至光譜儀探測器，根據空心光纖長度，對吸收光譜進行差分吸收光譜算法解析即可獲得待測氣體濃度。

為滿足探測測量氣體足夠的光學吸收厚度，空心光纖可以采用圓形多層繞行疊放方式，在極小的空間范圍可以明顯提高待測氣體吸收光程，達到高靈敏度的測量特點。

所述光源可以采用LED，氘燈，氙燈等光源，提供穩定的光學輻射，可根據實際探測要求，增加光源固定裝置和控溫裝置。

所述的光纖頭為T型設計，分別連接氣管，空心光纖，和光源(探測器)，具備較好的氣密性，保證氣流不外漏。