[發(fā)明專利]一種免校準(zhǔn)的激光光聲光譜微量氣體檢測(cè)儀器及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910010707.3
• 申請(qǐng)日: 2019-01-07
• 公開（公告）號(hào): CN109490216B
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳珂;劉帥;王曉娜
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/17
• 分類號(hào): G01N21/17;G01N21/01
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠(yuǎn)

本發(fā)明提供一種免校準(zhǔn)的激光光聲光譜微量氣體檢測(cè)儀器及方法，屬于微量氣體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。該激光光聲光譜微量氣體檢測(cè)儀器包括激光光源、光學(xué)準(zhǔn)直器、光聲池、光熱轉(zhuǎn)換元件、傳聲器、進(jìn)氣閥、出氣閥、光源驅(qū)動(dòng)、信號(hào)采集與處理電路和工控機(jī)。在傳統(tǒng)氣體吸收光聲池中增加一個(gè)光熱轉(zhuǎn)換元件，產(chǎn)生的固體光聲信號(hào)作為參考信號(hào)，并利用波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)和2f/1f檢測(cè)方法測(cè)量氣體濃度，實(shí)現(xiàn)對(duì)在激光光源功率變化下的免校準(zhǔn)氣體濃度測(cè)量。本發(fā)明充分利用光聲光譜的小采氣量和可調(diào)諧二極管激光吸收光譜的免校準(zhǔn)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，大幅度提高了激光光聲光譜系統(tǒng)的對(duì)氣體濃度測(cè)量的可靠性。本發(fā)明為高靈敏度和高可靠性微量氣體檢測(cè)提供一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)方案。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微量氣體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種免校準(zhǔn)的激光光聲光譜微量氣體檢測(cè)儀器及方法。

背景技術(shù)

激光吸收光譜微量氣體檢測(cè)技術(shù)以其具備的高靈敏度、高選擇性和工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已在電力裝置故障特征氣體分析、工業(yè)生產(chǎn)排放監(jiān)測(cè)、煤礦易燃易爆氣體監(jiān)測(cè)和醫(yī)學(xué)呼吸氣體診斷等應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。

由于紅外光譜區(qū)域是部分氣體分子的特征吸收光譜帶，所以可以通過使用相應(yīng)的激光光源來測(cè)量待測(cè)氣體的濃度。可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)和激光光聲光譜即是利用該原理進(jìn)行氣體檢測(cè)的最常見方法，但這兩種方法之間最大的差別在于TDLAS探測(cè)的是通過氣體的透射光，而光聲光譜探測(cè)的是氣體的吸收光。這也就決定了TDLAS是有背景的吸收光譜技術(shù)，而光聲光譜是無背景的吸收光譜技術(shù)。通常采用波長(zhǎng)調(diào)制光譜(WMS)技術(shù)和二次諧波(2f)檢測(cè)技術(shù)來提高檢測(cè)靈敏度。但是，對(duì)于激光吸收光譜微量氣體檢測(cè)儀器，有很多情況會(huì)使光源的功率發(fā)生變化，比如光纖或激光器的老化、光纖連接過程的損耗等，而2f信號(hào)幅度還與光源功率成正比，使?jié)舛葴y(cè)量產(chǎn)生較大的誤差，降低了儀器的可靠性。為了減小誤差，其中一種常用的方法是定期對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，但這大幅度增加了維護(hù)工作量。

為了實(shí)現(xiàn)免校準(zhǔn)測(cè)量，在TDLAS微量氣體檢測(cè)系統(tǒng)中，利用吸收光譜中心的基波(1f)分量檢測(cè)背景光信號(hào)，同時(shí)利用2f分量檢測(cè)氣體的吸收信號(hào)，1f信號(hào)與2f信號(hào)的幅度與光源光功率的強(qiáng)度均成線性關(guān)系，但1f信號(hào)幅度與氣體濃度幾乎無關(guān)，而2f信號(hào)幅度與氣體濃度成正比，因此可以將2f測(cè)量的氣體吸收信號(hào)與1f檢測(cè)的背景光信號(hào)相除得到2f/1f信號(hào)，消除激光功率變化對(duì)氣體濃度測(cè)量的影響。但是對(duì)于TDLAS系統(tǒng)，氣體檢測(cè)靈敏度與吸收程成正比，為了提高檢測(cè)靈敏度，通常采用多程氣體吸收池增加吸收程，但多程吸收池的體積通常大于1升，并且這種精密的光學(xué)結(jié)構(gòu)降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

基于單程吸收光聲池的激光光聲光譜系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度則與吸收程長(zhǎng)度幾乎無關(guān)，體積可以做到毫升量級(jí)，氣體檢測(cè)靈敏度卻能達(dá)到ppm甚至ppb量級(jí)。但是傳統(tǒng)的光聲光譜的是一種無背景檢測(cè)方法，吸收光譜中心的1f分量的幅度幾乎為零，因此不能采用2f/1f方法實(shí)現(xiàn)免校準(zhǔn)測(cè)量。因而，設(shè)計(jì)一種對(duì)激光光源功率變化免校準(zhǔn)的光聲光譜檢測(cè)儀器具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種免校準(zhǔn)的激光光聲光譜微量氣體檢測(cè)儀器及方法，旨在解決目前激光光聲光譜微量氣體檢測(cè)儀器中存在的激光光源功率的變化引起氣體濃度測(cè)量誤差增大的問題，為激光光聲光譜技術(shù)在微量氣體檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用中拓展更大的空間。

本發(fā)明的原理如下：在氣體吸收光聲池中增加一個(gè)光熱轉(zhuǎn)換元件，調(diào)制激光通過待測(cè)氣體后，產(chǎn)生氣體光聲信號(hào)，剩余光能量被光熱轉(zhuǎn)換元件吸收后轉(zhuǎn)換為熱量，并使密閉光聲池中的氣體發(fā)生周期性的熱脹冷縮，進(jìn)而產(chǎn)生固體光聲信號(hào)。

根據(jù)朗伯-比爾吸收定律，在α(v)LC＜＜1的條件下，可以得到經(jīng)氣體吸收后的光強(qiáng)為：

I_g(v)＝I₀(v)(1-exp(-α(v)LC))≈I₀(v)α(v)LC (1)

式中，I₀(v)是入射光強(qiáng)度，α(v)是吸收系數(shù)，L吸收程長(zhǎng)度，C是氣體的濃度。