[發(fā)明專利]一種采用聲光效應(yīng)準(zhǔn)直光路的水中溶解氣紅外檢測(cè)裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811175703.2
• 申請(qǐng)日: 2018-10-10
• 公開（公告）號(hào): CN109211825B
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭傳濤;李亞飛;劉志偉;陳晨;謝洪濤;仁強(qiáng);王一丁
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/3504
• 分類號(hào): G01N21/3504
• 代理公司: 長(zhǎng)春吉大專利代理有限責(zé)任公司 22201
• 代理人: 郭佳寧

本發(fā)明提供一種采用聲光效應(yīng)準(zhǔn)直光路的水中溶解氣紅外檢測(cè)裝置及方法，屬于紅外氣體檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域，包括光學(xué)、電學(xué)、輔助和機(jī)械部分。光學(xué)部分包括光源模塊、聲光調(diào)制器、封閉式氣室、光電探測(cè)模塊，呈直線式光路結(jié)構(gòu)，利用聲光調(diào)制器智能調(diào)節(jié)光源模塊的輸出光束，從而實(shí)現(xiàn)光路準(zhǔn)直；電學(xué)部分包括電源、光源驅(qū)動(dòng)、聲光驅(qū)動(dòng)、氣室控溫、氣室控壓、數(shù)據(jù)采集、鎖相放大、DSP處理器模、上位機(jī)通信模塊；輔助部分為氣泵模塊；機(jī)械部分包括圓筒形密封外殼、上層平臺(tái)、下層平臺(tái)、前面板、后面板、24V電源輸入口、通信線纜出口、氣體出口、氣體入口；本發(fā)明簡(jiǎn)化了傳感器光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高了儀器穩(wěn)定性與便攜性，更適用于水下工作環(huán)境。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于紅外氣體檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用聲光效應(yīng)準(zhǔn)直光路的水中溶解氣紅外檢測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)

天然氣水合物作為有望替代化石燃料的21世紀(jì)新能源，廣泛分布于世界各地的近海底沉積物中。在找到可行的開采方法之前，對(duì)天然氣水合物以及相關(guān)物質(zhì)的海底勘察是科學(xué)家們的重點(diǎn)研究課題。作為天然氣水合物的分解逸出氣體之一，海水中溶解的二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)、硫化氫(H₂S)濃度及其同位素豐度成為人們需要重點(diǎn)測(cè)量的對(duì)象。

在水下氣體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，目前常用的方法有地震反射法和化學(xué)傳感器檢測(cè)法；其中前者是利用水下逸出氣泡對(duì)聲波等信號(hào)的傳播影響進(jìn)行水下成像，缺點(diǎn)是不能對(duì)水下的溶解氣體進(jìn)行定量分析，后者需要首先進(jìn)行水下采樣，然后在陸上進(jìn)行樣本分析，缺點(diǎn)是無法保證氣體檢測(cè)的原位和實(shí)時(shí)性。

基于紅外吸收光譜的氣體檢測(cè)技術(shù)是利用不同分子對(duì)特定的紅外光譜的吸收作用，將氣體的濃度信息轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行分析。采用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)結(jié)合波長(zhǎng)調(diào)制光譜(Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS)(TDLAS-WMS)技術(shù)測(cè)量氣體濃度，其基本原理是：利用激光器波長(zhǎng)的電流調(diào)諧和溫度調(diào)諧特性，通過施加鋸齒波電流掃描信號(hào)，使激光器的輸出波長(zhǎng)掃描待測(cè)氣體的某一吸收峰，同時(shí)對(duì)激光器的波長(zhǎng)進(jìn)行正弦調(diào)制，根據(jù)二次諧波信號(hào)幅度(相對(duì)于調(diào)制信號(hào)頻率)與氣體濃度的相關(guān)性實(shí)施檢測(cè)。該技術(shù)與目前常用的水下氣體檢測(cè)技術(shù)相比，具有靈敏度高、選擇性好、可實(shí)時(shí)原位測(cè)量、具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。然而，目前人們報(bào)道的基于TDLAS—WMS技術(shù)的氣體檢測(cè)裝置，其光路部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，當(dāng)集成傳感系統(tǒng)后，需要較大的體積空間，這樣就無法形成便攜式儀器；光路部分一般采用機(jī)械式準(zhǔn)直方法，該方法對(duì)振動(dòng)極其敏感，水下振動(dòng)等不確定因素易造成光路失準(zhǔn)，從而該類儀器無法用于水下環(huán)境，或者在水下環(huán)境中的工作性能變差乃至無法正常工作。因此為了適應(yīng)水下密閉空間的高壓、潮濕、振動(dòng)等環(huán)境，需要優(yōu)化光學(xué)、電學(xué)結(jié)構(gòu)并縮小體積，這對(duì)水中溶解氣體傳感器的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)水中溶解氣的檢測(cè)技術(shù)需求和現(xiàn)有TDLAS-WMS紅外氣體檢測(cè)裝置在光學(xué)設(shè)計(jì)上的不足，本發(fā)明提出了一種采用聲光效應(yīng)準(zhǔn)直光路的水中溶解氣紅外檢測(cè)裝置及方法，該裝置利用聲光調(diào)制器對(duì)激光器輸出光束相對(duì)于封閉式氣室的入射角度進(jìn)行電控調(diào)節(jié)，在向氣室中通入標(biāo)準(zhǔn)氣的情況下，通過程序自動(dòng)判斷所采集二次諧波信號(hào)的形狀和幅值是否符合要求，依次反饋調(diào)整聲光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，直至光路達(dá)到準(zhǔn)直要求。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：