[發(fā)明專利]一種基于衰蕩腔的振動(dòng)及氣體溫度濃度測量方法

有效

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• 申請日: 2020-12-01
• 公開（公告）號(hào): CN112525841B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曹章;劉怡;徐立軍;宋振源;解恒;馬瑞
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/31
• 分類號(hào): G01N21/31;G01N21/17;G01K11/00
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本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于衰蕩腔的振動(dòng)及氣體溫度濃度測量方法，所用元件包括：激光發(fā)生模塊、光調(diào)制模塊、光學(xué)衰蕩腔、壓電陶瓷和信號(hào)采集與處理模塊等。首先，激光發(fā)生模塊發(fā)出兩束或兩束以上中心波長不同的激光，根據(jù)衰蕩腔的選頻特性，改變腔長分時(shí)采集光強(qiáng)衰減信號(hào)，對不同波長的衰減系數(shù)求解進(jìn)而求得氣體濃度和溫度。當(dāng)壓電陶瓷工作時(shí)，規(guī)律性改變腔長，快速采集信號(hào)；當(dāng)壓電陶瓷不工作時(shí)，利用隨機(jī)機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致的腔長改變，仍可進(jìn)行信號(hào)采集，通過對信號(hào)的處理實(shí)現(xiàn)對氣體濃度和溫度及振動(dòng)引起腔長的微小位移速度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、可靠性高且抗振性能好，可測參數(shù)多，在痕量氣體測量領(lǐng)域有較高的使用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于衰蕩腔的振動(dòng)及氣體溫度濃度測量方法，屬于氣體濃度測量技術(shù)領(lǐng)域。

(二)背景技術(shù)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)建設(shè)的高速發(fā)展，對氣體濃度的測量下限提出了更高的要求，痕量氣體檢測成為一項(xiàng)重大的科學(xué)研究課題，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等領(lǐng)域。痕量氣體的定量檢測在地震預(yù)測、碳循環(huán)、醫(yī)學(xué)診斷、宇宙氣體探測等都有極其重要的應(yīng)用。傳統(tǒng)的氣體濃度檢測技術(shù)主要是電化學(xué)和電學(xué)氣體濃度分析，電化學(xué)法測量技術(shù)一般為接觸式測量，容易受到環(huán)境變化和空氣擾動(dòng)的影響，對測量參數(shù)的穩(wěn)定性要求較高，且產(chǎn)品壽命有限；電學(xué)式測量技術(shù)的結(jié)果很容易產(chǎn)生漂移，且無法實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測。激光吸收光譜技術(shù)是一種非接觸式測量，利用被測氣體的吸收光譜信息建立起光強(qiáng)吸收率與氣體濃度的關(guān)系，避免了探測介質(zhì)和環(huán)境中氣體發(fā)生反應(yīng)的可能，有較長的使用壽命和穩(wěn)定的工作性能，在檢測速度和靈敏度上也有了極大的提高，并且激光器還具有功耗低、成本低廉等優(yōu)勢。激光吸收技術(shù)分為直接吸收光譜、調(diào)制光譜技術(shù)和衰蕩腔光譜技術(shù)。直接吸收光譜，在測量過程容易受到背景光的強(qiáng)度波動(dòng)影響；調(diào)制光譜技術(shù)，不適用于低濃度氣體和弱吸收峰的測量；衰蕩腔光譜技術(shù)利用兩個(gè)高反射鏡，有效增加了光程，使設(shè)備更緊湊，降低了測量下限。

然而衰蕩腔光譜技術(shù)雖然靈敏度高，但是存在激光能量耦合進(jìn)諧振腔較小，透射出來被探測器接收的光能量很低，從而導(dǎo)致測量的信噪比不高的缺點(diǎn)。為了解決這一問題，科研人員提出了一系列方法：如1999年Jae Won Hahn等人發(fā)表于《應(yīng)用光學(xué)》(AppliedOptics)的38卷9期，第1859-1866頁，題為《連續(xù)波激光腔衰蕩光譜學(xué):耦合效率的計(jì)算和一種新的光譜學(xué)設(shè)計(jì)》(Cavity ringdown spectroscopy with a continuous-wave laser:calculation of coupling efficiency and a new spectrometer design)，采用電路控制的壓電陶瓷位移臺(tái)來代替光學(xué)開關(guān)調(diào)制衰蕩腔的長度，當(dāng)出射光強(qiáng)超過閾值時(shí)關(guān)停驅(qū)動(dòng)器，腔長立即停止變化，可以達(dá)到調(diào)節(jié)諧振腔的耦合效率的作用；2000年Yabai He等人發(fā)表于《應(yīng)用光學(xué)》(Chemical Physics Letters)的319卷，第131-137頁，題為《利用連續(xù)波可調(diào)諧二極管激光器和快速掃掠光腔的環(huán)形和腔增強(qiáng)吸收光譜學(xué)》(Ringdown and cavity-enhanced absorption spectroscopy using a continuous-wave tunable diode laserand a rapidly swept optical cavity)，無需任何光學(xué)或電學(xué)開關(guān)，通過掃描腔長，使得腔的諧振頻率快速通過激光頻率，在二者重合時(shí)能量在腔中快速積累，又快速脫離諧振狀態(tài)；2001年Joshua B等人發(fā)表于《應(yīng)用光學(xué)》(Applied Optics)的40卷27期，第4904-4910頁，題為《超靈敏吸收光譜學(xué)具有高靈敏度的光學(xué)腔和離軸對準(zhǔn)》(Ultrasensitiveabsorption spectroscopy with a high-finesse optical cavity and off-axisalignment)，將單模連續(xù)波激光器引入腔內(nèi)，利用離軸腔對準(zhǔn)幾何結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)地消除與光學(xué)腔有關(guān)的共振，同時(shí)保持腔內(nèi)吸收信號(hào)的放大特性；2006年趙衛(wèi)雄等人發(fā)表于《光學(xué)學(xué)報(bào)》的26卷第8期，第1260-1264頁，題為《高靈敏度離軸積分腔輸出光譜技術(shù)》，采用同時(shí)掃描激光和諧振腔腔長的方法周期性破壞腔的共振，實(shí)現(xiàn)腔的頻率平均透過，探測透過腔的時(shí)間積分光強(qiáng)。以上方法，都存在標(biāo)定的問題，在計(jì)算氣體濃度的過程中需要知道腔長反射率等參數(shù)，這些參數(shù)很難準(zhǔn)確測量，對最后的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生誤差影響。