[發明專利]一種采用聲光效應準直光路的水中溶解氣紅外檢測裝置及方法

有效

• 申請號: 201811175703.2
• 申請日: 2018-10-10
• 公開（公告）號: CN109211825B
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 鄭傳濤;李亞飛;劉志偉;陳晨;謝洪濤;仁強;王一丁
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N21/3504
• 分類號: G01N21/3504
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 郭佳寧

本發明提供一種采用聲光效應準直光路的水中溶解氣紅外檢測裝置及方法，屬于紅外氣體檢測技術與應用領域，包括光學、電學、輔助和機械部分。光學部分包括光源模塊、聲光調制器、封閉式氣室、光電探測模塊，呈直線式光路結構，利用聲光調制器智能調節光源模塊的輸出光束，從而實現光路準直；電學部分包括電源、光源驅動、聲光驅動、氣室控溫、氣室控壓、數據采集、鎖相放大、DSP處理器模、上位機通信模塊；輔助部分為氣泵模塊；機械部分包括圓筒形密封外殼、上層平臺、下層平臺、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；本發明簡化了傳感器光學系統的復雜度，提高了儀器穩定性與便攜性，更適用于水下工作環境。

技術領域

本發明屬于紅外氣體檢測技術與應用技術領域，具體涉及一種采用聲光效應準直光路的水中溶解氣紅外檢測裝置及方法。

背景技術

天然氣水合物作為有望替代化石燃料的21世紀新能源，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，對天然氣水合物以及相關物質的海底勘察是科學家們的重點研究課題。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測量的對象。

在水下氣體檢測技術領域，目前常用的方法有地震反射法和化學傳感器檢測法；其中前者是利用水下逸出氣泡對聲波等信號的傳播影響進行水下成像，缺點是不能對水下的溶解氣體進行定量分析，后者需要首先進行水下采樣，然后在陸上進行樣本分析，缺點是無法保證氣體檢測的原位和實時性。

基于紅外吸收光譜的氣體檢測技術是利用不同分子對特定的紅外光譜的吸收作用，將氣體的濃度信息轉換成光信號，進而轉換成電信號進行分析。采用可調諧二極管激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)結合波長調制光譜(Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS)(TDLAS-WMS)技術測量氣體濃度，其基本原理是：利用激光器波長的電流調諧和溫度調諧特性，通過施加鋸齒波電流掃描信號，使激光器的輸出波長掃描待測氣體的某一吸收峰，同時對激光器的波長進行正弦調制，根據二次諧波信號幅度(相對于調制信號頻率)與氣體濃度的相關性實施檢測。該技術與目前常用的水下氣體檢測技術相比，具有靈敏度高、選擇性好、可實時原位測量、具有長期穩定性等優點。然而，目前人們報道的基于TDLAS—WMS技術的氣體檢測裝置，其光路部分結構復雜、體積龐大，當集成傳感系統后，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械式準直方法，該方法對振動極其敏感，水下振動等不確定因素易造成光路失準，從而該類儀器無法用于水下環境，或者在水下環境中的工作性能變差乃至無法正常工作。因此為了適應水下密閉空間的高壓、潮濕、振動等環境，需要優化光學、電學結構并縮小體積，這對水中溶解氣體傳感器的設計提出了更高的要求。

發明內容

針對水中溶解氣的檢測技術需求和現有TDLAS-WMS紅外氣體檢測裝置在光學設計上的不足，本發明提出了一種采用聲光效應準直光路的水中溶解氣紅外檢測裝置及方法，該裝置利用聲光調制器對激光器輸出光束相對于封閉式氣室的入射角度進行電控調節，在向氣室中通入標準氣的情況下，通過程序自動判斷所采集二次諧波信號的形狀和幅值是否符合要求，依次反饋調整聲光調制器的驅動信號，直至光路達到準直要求。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：