CN101021474A - 开放式气体多组分监测仪及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于半导体激光吸收光谱法的多波长多组分大气痕量气体NH3和H2O高灵敏在线监测仪。包括有主机箱和开放式长光程***，主机箱上安装有电源插座、开关、光纤连接器，数据传输接口，其特征在于机箱内有近红外半导体激光器，半导体激光控制器、锁相放大器、信号发生器、数据采集处理和控制模块，红外探测器，主机箱与现场光学***通过光纤连接。开放式光学***包括收发一体的光学望远镜和多元件角反射镜阵列，光学望远镜上有输入光纤耦合器和输出光纤耦合器。该仪器的特征在于利用基于多波长和频分多路信号检测技术实现了气体多组分的同时检测。
Description
技术领域
本发明属于一种气体的激光光谱测量仪器，具体是一种基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱法的开放光程的多组分气体监测仪器，它能同时测量NH3和H2O的浓度。
背景技术
采用多气体成分的同时测量无论是在大气环境监测还是在工业控制、工业污染监测方面都是非常必要的；例如在大气痕量气体的测量过程中，常常需要多种成分的同时测量来分析各个成分之间的相关性，从而分析各个痕量气体的来源以及大气化学中的一些化学反应；2002年LPMA大学进行的大气痕量气体测量中，利用TDLAS技术同时测量了CO、O3、CO2、HCl、N2O、CH4、COF2、HOCl、H2O2、NO、H2O、NO2、HNO3的空间分布，其中的部分测量结果表明CH4和NO2具有非常好的相关性，为大气化学提供了非常重要的依据。
氨气是大气成分中含量仅次于N2和N2O的含氮化合物，也是大气成分中最丰富的碱性痕量气体。作为大气酸性成分的主要中和剂，大气中氨气的环境效应越来越受到人们的重视。它被认为是影响区域空气质量、大气能见度以及酸性沉降的重要因素。
农业源一般被认为是大气NH3的主要排放源，主要来源是家禽养殖、土壤挥发、以及有机肥挥发，农业地区的NH3排放意味着大量的土壤肥力的损失，我国是一个农业大国，也是一个氨气排放大国，1990年的氨氮排放量约为8449Gg，居世界第一位。我国城市地区同样也面临由于NH3排放所引起的环境问题，一些大的城市如北京和上海的PM2.5成分中，铵盐已经占到很大比重。大气NH3排放的检测和治理目前还面临着缺乏现场快速检测仪器的问题，目前常用的检测方法包括溶蚀器方法、气相色谱等都存在着检测速度慢，需要复杂的气体取样等问题，无法满足现场实时检测的需要，研制一种无需气体取样的现场检测技术对于解决目前大气NH3检测仪器短缺问题有着现实的应用意义。
基于可调谐半导体激光波长调制光谱的调制频率多路技术提供了一种进行多种气体同时探测的直接方法，能够实现对气体的高灵敏、高分辨、非接触在线检测。两台激光器分别以不同的调制频率对激光输出波长进行调制，两束激光由光纤耦合器进行合束，由光纤传输到检测现场的光学望远镜，沿着相同的光路传输。光束由光学望远镜发射后经过检测区域被角反射镜反射沿着原光路返回，返回的光束聚焦在同一个红外探测器进行探测，不需要增加额外的光程和光学装置。探测信号被两台锁相放大器在不同的解调频率下提取二次谐波信号，对谐波信号进行采集和处理，用来同时反演两种气体的浓度。利用频分多路信号检测技术实现基于可调谐半导体激光吸收光谱的多组分气体同时检测，对于拓展可调谐半导体激光吸收光谱的应用领域，提高检测的实效性具有重要意义。
发明内容
本发明提出了一种基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的开放式多组分NH3、H2O高灵敏在线监测仪，使用光纤耦合的光通讯波段近红外半导体激光器，将多波长的光束进行合束，并通过相同的光学路径，采用波长调制光谱和二次谐波检测方法、频分多路信号检测技术、开放式长光程实现多气体组分的同时检测。
本发明的技术方案如下：
基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的开放式NH3和H2O多组分监测方法，其特征在于：
(1)、采用中心波长为1544nm的近红外DFB半导体激光器作为NH3的检测激光光源，通过控制激光温度、电流将近红外DFB半导体激光器输出中心波长调谐到NH3的一条吸收线中心，将频率为f0的锯齿波信号叠加在近红外DFB半导体激光器的驱动电流上使激光波长缓慢扫描过NH3气体的吸收线，同时将频率为f1正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行调制；
(2)、采用中心波长为1392nm的近红外DFB半导体激光器作为H2O的检测激光光源，通过控制激光温度、电流将激光器输出中心波长调谐到H2O的一条吸收线中心，同样，将频率为f0的锯齿波信号叠加在激光器的驱动电流上使激光波长缓慢扫描过H2O气体的吸收线，同时，将频率为f2正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行调制；
(3)、两台激光器的尾纤输出首先通过连接法兰耦合入2×1合束器，此时合束器中尾纤输出的激光包含了上述两个波长分量，合束后的激光通过输入光纤由输入光纤耦合器耦合到收发光学望远镜侧壁，耦合光束经安装在望远镜镜筒中央的离轴抛物面镜扩束后以平行光出射，光束经过检测区域后被放置在光路另一端的角反射镜组反射后沿原光路返回，反射回来的光被望远镜镜筒底部的主球面镜收集，然后由安装在离轴抛物面镜后方的副球面镜聚焦到导出光纤耦合器的耦合端上，由导出光纤耦合器耦合入输出光纤传输到达一个内置的充满已知浓度的NH3和H2O标准混合气体的校准吸收池，用于对检测吸收信号的实时校准；
(4)、校准吸收池的出射光经过透镜聚焦到红外光电探测器的光敏面上，红外光电探测器信号被分为两路，分别送二个锁相放大器进行二次谐波信号检测，从而同时解调出探测器上的NH3和H2O的吸收谱线，把测量到的吸收谱与标准谱进行最小二乘拟合，得到与记录下的当前时间相对应时刻的气体浓度，对浓度值进行估值滤波，然后更新滤波系数，把时间与浓度对应保存并在计算机和监测仪上进行显示；
(5)、重复以上步骤实现连续在线监测。
所述的频率为f0的锯齿波信号、频率为f1、f2的正弦波信号均由同一信号发生电路产生。
所述的f1和f2为非整数倍关系。
基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的开放式NH3和H2O多组分监测仪，包括有主机箱，开关电源，开关，其特征在于主机箱内安装有中心波长为1544nm的近红外DFB半导体激光器和中心波长为1392nm的近红外DFB半导体激光器，以及相应的电流控制模块，信号发生电路；两台激光器的尾纤输出首先通过连接法兰耦合入2×1合束器，合束器的出光口通过输入光纤由输入光纤耦合器耦合到收发光学望远镜侧壁；望远镜镜筒中央且位于光纤耦合器下方安装有离轴抛物面镜，离轴抛物面镜后的光路另一端安装有角反射镜组，望远镜镜筒底部安装有主球面镜，离轴抛物面镜的背面安装有副球面镜，主球面镜中开有聚焦孔，聚焦孔外的望远镜底部安装有导出光纤耦合器，导出光纤耦合器和充满已知浓度的NH3和H2O标准混合气体的校准吸收池之间通过光纤导光，校准吸收池后安装有聚焦透镜、红外光电探测器，红外光电探测器的信号输出端分别接入二个锁相放大器，锁相放大器的输出信号接入到数据采集、处理和控制模块。
本发明利用最新的近红外可调谐半导体激光吸收光谱技术、长光程吸收池技术、波长调制光谱技术、二次谐波检测技术和频分多路信号检测技术实现对大气中NH3和H2O浓度的实时监测，利用可调谐半导体激光吸收光谱技术高分辨特点消除了环境空气中其它气体成分的干扰。从技术上克服了传统点式仪器响应速度慢、易受干扰、易中毒、不能实现连续实时监测以及成本高等缺点，利用一套***实现多种气体组分监测，降低了气体监测的***成本，对NH3和H2O浓度的检测限分别低于2ppb和100ppm，满足了大气环境监测的需要，真正实现了对大气痕量气体的高灵敏、实时在线监测。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是望远镜结构示意图。
图3是角反射镜组结构示意图。
具体实施方式
参见图1、图2、图3。
图中标号：1、主机箱，2、主电源开关，3、1544nm半导体激光温度电流控制模块，4、信号发生电路，5、1392nm半导体激光温度电流控制模块，6、1544nm近红外DFB半导体激光器，7、1392nm近红外DFB半导体激光器，8、2×1光纤合束器，9、输入光纤连接器，10、输出光纤连接器 11、校准吸收池，12、聚焦透镜，13、红外光电探测器，14、锁相放大器1，15、锁相放大器2，16、数据采集、处理和控制模块，17、开关电源18、液晶显示屏，上述所涉及的部件均是安装在机箱1上。19、输出光纤，20输入光纤，21、收发光学望远镜，22、角反射镜组，23、主球面镜，24、副球面镜，25、离轴抛物面镜，26、望远镜窗片，27、输入光纤耦合器28、导出光纤耦合器。
本发明采用中心波长为1544nm的近红外DFB半导体激光器6作为NH3的检测激光光源，激光器温度和电流控制模块3通过控制激光温度、电流将激光器输出中心波长调谐到NH3的一条吸收线中心，信号发生电路4产生的频率为f0的锯齿波信号叠加在激光器的驱动电流上使激光波长缓慢扫描过NH3气体的吸收线，信号发生电路4同时产生频率为f1正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行调制，采用中心波长为1392nm的近红外DFB半导体激光器7作为H2O的检测激光光源，利用激光器温度和电流控制模块5将激光器输出中心波长调谐到H2O的一条吸收线中心，同样，信号发生电路4产生的频率为f0的锯齿波信号叠加在激光器的驱动电流上使激光波长缓慢扫描过H2O气体的吸收线，信号发生电路4同时产生频率为f2正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行调谐。激光器6与激光器7共用由信号发生电路4产生的频率为f0波长扫描信号，但在不同正弦波频率下被调制，其中f1和f2不能靠得太近，而且两者不能成整数倍关系。两台激光器的尾纤输出首先通过连接法兰耦合入2×1合束器8，此时合束器中尾纤输出的激光包含了上述两个波长分量，为实现多组分检测提供可能。合束后包含这两个波长分量的激光通过输入光纤20与外光路连接，外光路采用的是开放式双光路设计，由卡塞格林型的收发光学望远镜21和多元件角反射镜组22组成，最大设计光程为500m。激光束经过光纤由输入光纤耦合器27耦合到收发光学望远镜21，耦合光束经离轴抛物面镜25扩束后以平行光出射，光束经过检测区域后被放置在光路另一端的角反射镜组22反射后沿原光路返回，反射回来的光被望远镜内的主球面镜23收集，然后由副球面镜24聚焦到导出光纤耦合器28的耦合端上，由耦合器耦合入光纤19传输回主机***。返回光信号通过主机箱的光纤连接器10，到达一个内置的充满已知浓度的NH3和H2O标准混合气体的10cm校准吸收池11，用于对检测吸收信号的实时校准。出射光经过校准吸收池11后聚焦到一个红外光电探测器13的光敏面上。探测器信号被分为两路，分别送锁相放大器14和15进行二次谐波信号检测，从而同时解调出探测器上的NH3和H2O的吸收谱线，把测量到的吸收谱与标准谱进行最小二乘拟合，得到与记录下的当前时间相对应时刻的气体浓度，对浓度值进行估值滤波，然后更新滤波系数，把时间与浓度对应保存并在计算机和监测仪上进行显示。再重复以上步骤实现连续在线监测。
Claims (4)
1、开放式NH3和H2O多组分监测方法，其特征在于：
(1)、采用中心波长为1544nm的近红外DFB半导体激光器作为NH3的检测激光光源，通过控制激光温度、电流将近红外DFB半导体激光器输出中心波长调谐到NH3的一条吸收线中心，将频率为f0的锯齿波信号叠加在近红外DFB半导体激光器的驱动电流上使激光波长缓慢扫描过NH3气体的吸收线，同时将频率为f1正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行调制；
(2)、采用中心波长为1392nm的近红外DFB半导体激光器作为H2O的检测激光光源，通过控制激光温度、电流将激光器输出中心波长调谐到H2O的一条吸收线中心，同样，将频率为f0的锯齿波信号叠加在激光器的驱动电流上使激光波长缓慢扫描过H2O气体的吸收线，同时，将频率为f2正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行调制；
(3)、两台激光器的尾纤输出首先通过连接法兰耦合入2×1合束器，此时合束器中尾纤输出的激光包含了上述两个波长分量，合束后的激光通过输入光纤由输入光纤耦合器耦合到收发光学望远镜侧壁，耦合光束经安装在望远镜镜筒中央的离轴抛物面镜扩束后以平行光出射，光束经过检测区域后被放置在光路另一端的角反射镜组反射后沿原光路返回，反射回来的光被望远镜镜筒底部的主球面镜收集，然后由安装在离轴抛物面镜后方的副球面镜聚焦到导出光纤耦合器的耦合端上，由导出光纤耦合器耦合入输出光纤传输到达一个内置的充满已知浓度的NH3和H2O标准混合气体的校准吸收池，用于对检测吸收信号的实时校准；
(4)、校准吸收池的出射光经过透镜聚焦到红外光电探测器的光敏面上，红外光电探测器信号被分为两路，分别送二个锁相放大器进行二次谐波信号检测，从而同时解调出探测器上的NH3和H2O的吸收谱线，把测量到的吸收谱与标准谱进行最小二乘拟合，得到与记录下的当前时间相对应时刻的气体浓度，对浓度值进行估值滤波，然后更新滤波系数，把时间与浓度对应保存并在计算机和监测仪上进行显示；
(5)、重复以上步骤实现连续在线监测。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的频率为f0的锯齿波信号、频率为f1、f2的正弦波信号均由同一信号发生电路产生。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的f1和f2为非整数倍关系。
4、开放式NH3和H2O多组分监测仪，包括有主机箱，开关电源，开关，其特征在于主机箱内安装有中心波长为1544nm的近红外DFB半导体激光器和中心波长为1392nm的近红外DFB半导体激光器，以及相应的电流控制模块，信号发生电路；两台激光器的尾纤输出首先通过连接法兰耦合入2×1合束器，合束器的出光口通过输入光纤由输入光纤耦合器耦合到收发光学望远镜侧壁；望远镜镜筒中央且位于光纤耦合器下方安装有离轴抛物面镜，离轴抛物面镜后的光路另一端安装有角反射镜组，望远镜镜筒底部安装有主球面镜，离轴抛物面镜的背面安装有副球面镜，主球面镜中开有聚焦孔，聚焦孔外的望远镜底部安装有导出光纤耦合器，导出光纤耦合器和充满已知浓度的NH3和H2O标准混合气体的校准吸收池之间通过光纤导光，校准吸收池后安装有聚焦透镜、红外光电探测器，红外光电探测器的信号输出端分别接入二个锁相放大器，锁相放大器的输出信号接入到数据采集、处理和控制模块。
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