[發明專利]一種基于中紅外全光纖直接吸收法的多組分痕量氣體檢測系統和方法

在審

• 申請號: 202010454713.0
• 申請日: 2020-05-26
• 公開（公告）號: CN111579530A
• 公開（公告）日: 2020-08-25
• 發明（設計）人: 馮憲;施進丹
• 申請（專利權）人: 江蘇師范大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 周敏

1.一種基于中紅外全光纖直接吸收法的多組分痕量氣體檢測系統，其特征在于：所述系統包括：波長可調諧、窄線寬中紅外量子級聯激光器、第一中紅外單模光纖、中紅外空芯光纖、第一三通閥門、第一氣體管道、第一微箱、第二三通閥門、第二氣體管道、第二微箱、真空泵、壓力泵、第二中紅外單模光纖、中紅外光電探頭、上位機，其中所述中紅外量子級聯激光器、第一中紅外單模光纖、中紅外空芯光纖、第二中紅外單模光纖、中紅外光電探頭均設置有多個且數量相同，多個中紅外量子級聯激光器的中心波長均不相同，多個中紅外空芯光纖的工作波長均不相同，多個中紅外光電探頭的探測波長均不相同；

所述中紅外量子級聯激光器的輸出端連接第一中紅外單模光纖輸入端，第一中紅外單模光纖輸出端與中紅外空芯光纖輸入端熔接，中紅外空芯光纖輸出端與第二中紅外單模光纖輸入端熔接，第二中紅外單模光纖輸出端連接中紅外光電探頭，兩段中紅外單模光纖與中紅外空芯光纖構成全光纖結構光路；

所述中紅外空芯光纖輸入端鉆有一個微孔一，并通過微孔一連接第一微箱，中紅外空芯光纖輸出端鉆有一個微孔二，并通過微孔二連接第二微箱，從而構成光場和氣體重合度高的全光纖結構氣體檢測通道；第一微箱通過第一氣體管道與第一三通閥門一端連接，第一三通閥門另外兩端分別連接被測氣體入口端以及壓力泵，第二微箱通過第二氣體管道與第二三通閥門一端連接，第二三通閥門另一端連接真空泵；

所述上位機分別與多個中紅外量子級聯激光器、第一三通閥門、第二三通閥門、真空泵、壓力泵、多個中紅外光電探頭電性連接；

所述中紅外量子級聯激光器作為系統光源，激光耦合進入第一中紅外單模光纖的輸入端、再耦合進入中紅外空芯光纖，從中紅外空芯光纖輸出的激光信號通過第二中紅外單模光纖耦合進入中紅外光電探頭；中紅外光電探頭探測激光信號強度后轉換成電信號，并傳輸給上位機；上位機用于處理所有測試數據并控制中紅外量子級聯激光器、第一、第二三通閥門、真空泵、壓力泵的開關；

被測氣體通過第一三通閥門和第一氣體管道到達氣密封閉的第一微箱，通過微孔一進入中紅外空芯光纖，并充滿整個中紅外空芯光纖纖芯，再通過微孔二離開中紅外空芯光纖，并進入氣密封閉的第二微箱；被測氣體經過第二微箱并通過第二氣體管道和第二三通閥門排出檢測系統。

2.根據權利要求1所述的一種基于中紅外全光纖直接吸收法的多組分痕量氣體檢測系統，其特征在于：所述中紅外量子級聯激光器的中心波長范圍為4-14微米。

3.根據權利要求1所述的一種基于中紅外全光纖直接吸收法的多組分痕量氣體檢測系統，其特征在于：所述第一中紅外單模光纖、第二中紅外單模光纖采用氟化物玻璃光纖、硫化物玻璃光纖、硒化物玻璃光纖、碲化物玻璃光纖中的一種。

4.根據權利要求1所述的一種基于中紅外全光纖直接吸收法的多組分痕量氣體檢測系統，其特征在于：所述微孔直徑d的取值范圍為20-500微米。

5.根據權利要求1所述的一種基于中紅外全光纖直接吸收法的多組分痕量氣體檢測系統，其特征在于：所述微孔內壁表面粗糙度低于1微米。

6.根據權利要求1所述的一種基于中紅外全光纖直接吸收法的多組分痕量氣體檢測系統，其特征在于：所述中紅外光電探頭的探測波長范圍為3-11微米。

7.一種基于權利要求1至6任一項所述的檢測系統實現的中紅外全光纖直接吸收法的多組分痕量氣體檢測方法，其特征在于：包括以下步驟：

S1、關閉第一三通閥門，關閉第二三通閥門的空閑閥門，打開真空泵，對整個氣室通道抽真空，真空度達到p個大氣壓；關閉真空泵，保持第一三通閥門與壓力泵連通，注入氮氣清洗氣室；關閉第一三通閥門，關閉第二三通閥門的空閑閥門，打開真空泵，對整個氣室通道抽真空，真空度達到p個大氣壓，關閉真空泵；

S2、保持第一三通閥門與被測氣體入口端連通，注入被測氣體；被測氣體充滿整個氣室通道，關閉第一三通閥門，氣室通道保持全封閉狀態；

S3、打開中紅外量子級聯激光器，設定工作波長為估計痕量氣體特征波長λ₀，激光信號通過第一中紅外單模光纖，進入空芯光纖氣室；激光信號在氣室內被測氣體吸收后，進入第二中紅外單模光纖，信號由中紅外光電探頭接收，并傳輸到上位機上，從而測得全光纖氣室在波長λ₀處的激光輸出強度I(λ₀)；接著，通過調節中紅外量子級聯激光器的輸出波長，當測試輸出激光強度為最小值時，由于激光線寬遠小于氣體光譜線寬，該波長λ₁為該氣體吸收譜線峰值位置，該波長的激光輸出強度I(λ₁)為氣體吸收譜線峰值位置的激光輸出強度；

S4、保持中紅外量子級聯激光器的輸出狀態，重復步驟S1，測試真空狀態下全光纖氣室在波長λ₁處的激光輸出強度I(λ_1,vac)；

S5、將步驟S3中在波長λ₁處測得的激光輸出強度扣除步驟S4中在波長λ₁處測得的激光強度，得到在波長λ₁處由于氣體吸收造成的激光衰減強度；根據朗伯比爾定律和光纖氣室真實長度L，上位機計算出在波長λ₁處單位長度的氣體吸收系數；

S6、上位機比照氣體光譜數據庫HITRAN，由于氣體在中紅外波段的指紋式特征，根據特征波長λ₁，判定該氣體種類；再次，根據該氣體數據庫的吸收截面數據，推算出該氣體的絕對濃度；

S7、在多通道結構情況下，重復步驟S2-步驟S6的過程，在每一波長對每一個氣室通道平行同時進行測試，從而快速確定多組分痕量氣體的種類和濃度。