CN104132911B - 开放式长光程co和ch4在线检测仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种开放式长光程CO和CH4监测仪器，包括主机箱和开放式长光程***，主机箱里还设有中心波长2334nm的DFB半导体红外激光器以及相应的激光器电流控制和温度控制电路、信号发生电路，还设置有离轴抛物面镜和光电探测器；信号发生电路产生的调制信号作用于激光器电流控制和和温度控制电路调谐DFB近红外半导体激光器产生中心波长为2344nm的激光，用于扫描CO和CH4吸收光谱，激光直射到开放式长光程光路中并被角反射镜反射沿原光路返回到达光电探测器，获得CO和CH4气体吸收光谱，光谱信号被收集并依据多光谱拟合算法计算反演出CO和CH4气体的柱浓度，在上位机上显示管理。

Description

开放式长光程 CO 和 CH 4 在线检测仪器

技术领域：

本发明属于环境气体检测领域，具体涉及一种大气环境气体CO和CH₄的开放式长光程在线检测仪器。

背景技术：

随着现代社会生活节奏的加快，大气环境污染越来越严重，其中来源于燃煤和机动车尾气的CO是大气重要污染物之一，是研究污染物在大气中转化、输送与再分布的重要示踪物；尽管CO本身并不是温室效应的直接贡献者，但它与OH自由基的化学反应控制着CO₂、CH₄、O₃等其它温室气体的浓度分布与变化，甲烷（CH₄）是大气含量仅次于CO₂的温室气体，属于碳氢化合物，化学性质较稳定，能够强烈地吸收地球长波辐射而具温室效应，进而对全球气候产生重大影响，因此大气CO和CH₄浓度的观测研究工作非常必要。

目前在国内进行气体检测的方法主要分为电学式气体检测法、光学式气体检测法、电化学式气体检测法、气相色谱法和高分子材料气体检测法等。

电学式气体检测法是通过检测与气体浓度有关的电学性质的变化来获知气体的浓度。

光学式气体检测法是通过对气体的光学特性的测量，来鉴别气体并检测其浓度，根据所利用光学性质的不同，这类光学法的气体传感器大致可分为光谱吸收型、光离子化型、光干涉型、荧光型以及化学发光式等。

其中光谱吸收型气体检测是根据气体的特征吸收光谱来鉴别并分析其浓度的，其原理是：不同气体的特征吸收光谱不同，且各种气体在各自不同的特征吸收光谱的吸光度与气体的浓度成一定的关系，当有光照射充有被测气体的气室时，光源波长处在其特征波长处的气体组分吸收一部分光，入射光强、反射光强和特征波长气体组分之间的关系遵循Lambert-Beer定律。光谱吸收式气体传感器的发展趋势正朝着智能化、实用化、市场化的方向发展。

传统电化学传感器可分为三种类型：金属氧化物半导体型、电化学固体电解质型和电化学固体高分子电解质型等。它们的缺点是输出信号与气体体积分数为线性关系；不适宜用在高体积分数的气体检测；灵敏度、选择性较差等。不同的气体通过色谱柱的速度不同，测量其速度就能获知气体浓度信息，这就是气相色谱法原理。

非光学类气体传感器均具有稳定性差、易中毒、检测需要进行采样和预处理的缺点，降低了***检测的实时性和准确性，而且干扰成分很多，有时交叉干扰根本无法避免，很难做到在线监测，***维护也比较复杂。

与非光学法相比光学法检测气体浓度具有许多优点，如可以达到远距离准确测量及在线监测、***稳定，不易受到干扰，灵敏度高，响应度快，安全可靠，耐高温，耐腐蚀，并且维护工作量小等。特别是基于气体近红外光谱吸收技术的气体传感器可以实现对气体的高灵敏度快速检测，除上述优点以外还有选择性强、使用寿命长、标定简单、造价低、易于实现等优点。

虽然，国外对于气体检测技术的研究和应用，一些发达国家起步比较早，研究出了很多的气体检测方法，并有一些已经应用到实践中。但是考虑到目前国内的气体浓度检测仪市场，都是一些国外的产品所占据着，虽然灵敏度高、响应速度快、可连续监测、安全可靠，但其价格相当昂贵，在国内研发气体检测仪器还是势在必行的。

开放式长光程CO和CH₄在线监测仪就是基于可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS)，非接触式在线自动监测大气污染物CO和CH₄的分析仪器，具有实时在线、同时监测等特点。

发明内容：

为克服现有技术的一些弊端和市场上气体检测仪器的的缺陷，本发明提出一种开放式长光程CO和CH₄监测仪器，基于开放光路的长光程吸收光谱技术，采用可调谐半导体激光吸收光谱技术和DFB激光器波长锁定技术，利用一台激光器全波段扫描CO、CH₄两种气体吸收，通过对CO和CH₄气体分子的吸收光谱进行多参数拟合算法实现对目标气体的定性或者定量分析。

本发明所采用的技术方案如下：

一种开放式长光程CO和CH₄监测仪器，包括主机箱以及开放式长光程光路，所述的主机箱内安装有中心波长为2344mm的近红外DFB半导体激光器以及相应的激光器电流控制和温度控制模块，还安装有信号发生电路，所述的激光器温度控制模块的输出端与所述的DFB半导体激光器的温度控制端的输入端电相连，所述的信号发生电路的输出端和所述激光器电流控制和温度控制模块的输入端电相连；所述的信号发生电路的输入端与电子硬件控制电路相连，所述的主机箱内还安装有离轴抛物面镜，所述的近红外DFB半导体激光器和所述的离轴抛物面之间的光路上安装有位置高度可调的标气池，所述的离轴抛物面镜焦点上安装有位置高度可调的光电探测器，将DFB近红外半导体激光器输出激光中心波长调谐到2344nm作为CO和CH₄的检测激光光源，同时，将信号发生电路产生的调制信号叠加在激光器电流控制和温度控制模块上，所述的DFB近红外半导体激光器发射的2344nm波长的激光经反射式光纤准直耦合器耦合为准直激光，所述的准直激光经离轴抛物面镜的中心孔进入开放式长光程光路，并被开放式长光程光路的角发射镜反射后沿原光路返回，获得CO和CH₄气体的吸收光谱信息，反射回来的激光被主机箱内的离轴抛物面镜聚集到到光电探测器上，光电探测器光纤连接信号调理电路，信号调理电路电连接电子硬件控制电路，所述的电子硬件控制电路和上位机之间数据通信；所述电子硬件控制电路基于单片机，所述的单片机结合多光谱拟合算法计算CO和CH₄气体的吸收光谱信息反演出CO和CH₄气体的柱浓度，在上位机的开放式长光程气体监测仪在线监测软件上显示管理。

所述的主机箱包括上盖、下盖、前面板、后面板组成，所述的后面板中间连接有延伸到主机箱内的连接杆，所述反射式光纤准直耦合器、离轴抛物面镜、都和连接杆同高度，所述的标气池工作时位置调节和连接杆同高度；所述的主机箱上还设置有电源、电源开关以及和上位机之间连接的串口。所述的前面板上，安装楔形窗片一，楔形窗片一倾斜角度为8°；所述的后面板上还安装有后面板安装电源开关，串口通讯接口，以及电源输入接头；沿所述的离抛物面镜光路主轴方向，内部固定安装一个直径略大于离抛物面镜镜片直径的套筒，表面发黑；所述的调整架可进行水平角度和俯仰的调节；所述的的标气池和光电探测器位置可调通过其螺纹安装在下盖上的支撑架实现；所述的主机箱上面固定有调节光路的望远镜***，所述的反射式光纤准直耦合器和离轴抛物面镜上分别有连接下盖的支撑架支撑。

所述的开放式长光程光路由楔形窗片一、楔形窗片二以及角反射镜构成，所述的楔形窗片一安装在所述的主机箱激光出射窗口上，所述的楔形窗片二安装在角反射镜前端，所述的楔形窗片一、楔形窗片二以及角反射镜均在激光器的主光路上，所述的楔形窗片一、楔形窗片二与激光器主光路不垂直。在测量时，激光器发射的激光经光纤传输至反射式光纤准直耦合器，准直后的激光依次经过离轴抛物面反射镜的中心孔、楔形窗片一、大气、楔形窗片二到角反射镜，再经角反射镜反射后经过楔形窗片二、大气、楔形窗片一至离轴抛物面反射镜，再由离轴抛物面反射镜反射至探测器进行光信号的采集。

所述的离轴抛物面后设有位置高度可调的反射镜一，在校准时，将标气池和反射镜自动升到激光所在的主光路上，激光器发射的激光经光纤传输至反射式光纤准直耦合器，准直后的激光经过通有标气的标气池，再经过离轴抛物面反射镜的中心孔后至反射镜，再由反射镜将光反射至探测器上，进行光信号的探测，反射镜和探测器均可调节。

所述的电子硬件控制板电路通过采用单片机实现，所述的单片机程序可以实现向上位机传送信息、控制产生调制信号、采集调理后的信号、进行谱线拟合各柱浓度的计算四大功能，所述的上位机上有自主研发的开放式长光程气体监测仪在线监测软件，实现采集数据***自检、采集、处理、显示、数据管理功能；

本***的设计原理在于：

本***的核心技术是基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术，利用空气中开放长光程CO在红外可见波段（2334nm）的吸收，结合CH₄气体分子在此激光扫描频率下的特征吸收线，采用光谱拟合算法，得到CO和CH₄两种气体分子的吸光度，再进行反演计算，得到空气中的CO和CH₄两种气体的柱浓度，实时将柱浓度结果和光强参数通过串口输出到上位机。

本***采用具有发射红外可见波段（2334nm）的激光光源，激光光源所发射的激光经开放的长光程大气中的吸收后传输至角镜，所述的角镜反射激光后进入仪器的光学***，通过仪器光学***的聚焦，进入探测器，所述的探测器将光谱信号转为电信号并进行信号的调理，数字化之后，经反演、分析以后就能得到此开放光路下CO和CH₄气体的吸光度，计算得柱浓度并传到上位机。

（1）基于开放光路的长光程吸收光谱技术。根据Beer－Lambert吸收定律知，***的检测灵敏度与光程L有关，光程越长，检测的灵敏度越高。开放光路可以在大范围内获得污染气体浓度，所以减小了局部浓度波动的影响；长光程吸收光谱技术通过增加吸收光程，从而提高了***的检测灵敏度。

（2）基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术和DFB激光器波长锁定技术。将先进的电流和温度的闭环控制技术应用于DFB 激光器波长的锁定，使用在可调谐半导体激光的气体吸收光谱技术中，能大幅度提高DFB 激光器波长的稳定性。

（3）基于光谱的多参数拟合技术。基于CO和CH₄气体分子吸收光谱的多参数拟合技术，采用了洛伦兹线型拟合CO吸收峰和多个CH₄吸收峰，算法使用多个参数进行光谱的拟合，使得算法本身非常的稳定，修正了温度和气压的影响，大大提高气体吸收光谱的精度和分辨率。

本发明的有益效果体现在：

（1）基于DFB 激光器波长锁定电流和温度的闭环控制技术，采用一台激光器全波段可以扫描到CO、CH₄两种气体吸收，并采用开放光路检测，具有较高灵敏度和分辨率，适合于常规空气质量中CO和CH₄的在线监测。

（2）结合多光拟合算法，对CO和CH₄吸收光谱进行多参数拟合，进而计算反演出CO和CH₄的柱浓度，具有选择性好、灵敏度高、精度高的特点。

（3）采用控制位置可调的标气池、光电探测器以及反射镜，增加了仪器的灵活性，为仪器小型化、便捷化发展提供了基础。

本发明采用中心波长2334nm的DFB半导体红外激光器，研制完成的高精度开放式长光程CO和CH₄在线监测仪器，具有快速在线非接触测量、操作简单、线性误差的特点，其最小检测限、响应时间等关键指标达到或优于国外同类产品。

附图说明：

图1为本发明原理图；

图2为本发明的实物图；

图3为本发明的测量示意图；

图4为本发明的气体校准示意图；

其中，1、激光器，4离轴抛物面反射镜，5楔形窗片一，6楔形窗片二，7角反射镜，探测器3，标气池8和反射镜9；

图5为本发明的工作流程图；

图6为本发明的上位机上的监测仪软件界面；

图7为本发明的上位机上的监测仪软件工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种开放式长光程CO和CH₄监测仪器，包括主机箱以及开放式长光程光路，所述的主机箱内安装有中心波长为2344mm的近红外DFB半导体激光器以及相应的激光器电路控制和温度控制模块，以及与所述的激光器电流控制和温度控制模块电连接的信号发生电路，所述的激光器温度控制模块的输出端与所述的DFB半导体激光器的温度控制端的输入端电相连，所述的信号发生电路的输出端和所述激光器电流控制和温度控制模块的输入端电相连；所述的信号发生电路的输入端与电子硬件控制电路板相连，所述的主机箱内还安装有离轴抛物面镜，所述的近红外DFB半导体激光器和所述的离轴抛物面之间的光路上安装有位置可调的标气池，所述的离轴抛物面镜焦点上安装有位置可调的光电探测器，将DFB近红外半导体激光器输出中心波长调谐到2344nm作为CO和CH₄的检测激光光源，同时，将信号发生电路产生的500Hz的锯齿波调制信号叠加在激光器的激光器电流控制和温度控制模块上，所述的DFB近红外半导体激光器发射的2344nm波长的激光经反射式光纤准直耦合器为准直激光，所述的准直激光经离轴抛物面镜的中心孔进入开放式长光程光路对开放式长光程光路中的CO和CH₄气体进行吸收光谱的扫描，并被开放式长光程光路的角发射镜反射后沿原光路返回，反射回来的激光被主机箱内的离轴抛物面镜聚集到到光电探测器上，光电探测器光纤连接信号调理电路，信号调理电路电连接电子硬件控制电路，所述的电子硬件控制板电路和上位机之间数据通信；所述电子硬件电路基于单片机，所述的单片机结合多光谱拟合算法计算反演出CO和CH₄气体的柱浓度，在上位机自主研发的开放式长光程气体监测仪在线监测软件上显示管理。

如图2所示为为仪器的整体图，包括调整支架以及安装在调整支架上主机箱，所述的主机箱采用多边形外形结构，所述的主机箱有上盖、下盖、前面板、后面板拼接而成，前后面板采用10mm厚铝板车铣，上下盖板由2mm厚钣金件折弯而成。上盖板前沿做防杂散光处理，望远镜固定在仪器正上方，用于调节光路。所述的前面板上，安装石英玻璃窗片，窗片倾斜角度为8°；所述的后面板上还安装有后面板安装电源开关，串口通讯接口，以及电源输入接头；沿所述的离抛物面镜光路主轴方向，内部固定安装一个直径略大于离抛物面镜镜片直径的套筒，表面发黑，消除杂散光对光学***的影响；所述的调整架可进行水平角度和俯仰的调节；所述的的标气池和光电探测器位置可调通过其螺纹安装在下盖上的支撑架实现；所述的主机箱上面固定有调节的光路望远镜。所述的后面板中间连接有延伸到主机箱内的连接杆，和连接杆同高度的位置上，还依次设置有反射式光纤准直耦合器，离轴抛物面镜，所述的反射式光纤准直耦合器和离轴抛物面镜分别有连接下盖的支撑架支撑，所述的主机箱内还设置有中心波长2334nm的DFB半导体红外激光器，以及相应的电流控制模块和信号发生电路；还包括与离轴抛物面镜主轴光线对应的角反射镜；以及离轴抛物面镜斜下方的光电探测器；所述的离轴抛物面镜中心开设有激光通过孔；所述的反射式光纤耦合器的反射镜的焦距在一个宽的波长范围内保持不变。

如图3所示，在测量时，激光器发射的激光经光纤传输至反射式光纤准直耦合器，准直后的激光依次经过离轴抛物面反射镜的中心孔、楔形窗片一、大气、楔形窗片二到角反射镜，再经角反射镜反射后经过楔形窗片二、大气、楔形窗片一至离轴抛物面反射镜，再由离轴抛物面反射镜反射至探测器进行光信号的采集，其中，楔形窗片一和楔形窗片二安装时与激光器主光路不垂直，而是成一个不等于90度的角，探测器可调节。

如图4所示，在校准时，将标气池和反射镜自动升到激光所在的主光路上，如图所示，其工作原理是：激光器发射的激光经光纤传输至反射式光纤准直耦合器，准直后的激光经过通有标气的标气池，再经过离轴抛物面反射镜的中心孔后至反射镜，再由反射镜将光反射至探测器上，进行光信号的探测，反射镜9和探测器3均可调节。

所述的电子硬件控制板电路通过采用单片机实现，如所述的单片机程序可以实现控制产生调制信号、采集调理后的信号、进行谱线拟合各柱浓度、向上位机传送信息的计算四大功能，所述的上位机上有自主研发的开放式长光程气体监测仪在线监测软件，实现采集数据***自检、采集、处理、显示、数据管理功能；

其中，电子硬件电路板控制信号发生电路产生激光器的扫描波形信号，产生的是约500Hz的锯齿波，该锯齿波信号加载到激光器电路和温度控制模块上，实现波形的幅值和偏移调节，以得到合适的激光器扫描波长范围。选用的电流模块控制精度为0.1%，温度控制精度为0.01℃，满足浓度反演所需的精度要求。

所述的数据采集模块采用DMA模式，减轻了单片机运算压力，使之有更多能力进行光谱的拟合，所述的数据采集电路连接的信号调理电路为集成的低噪声电路，实现探测器的弱电流到电压的转换和信号滤波调理等功能。

所述的单片机内的数据通讯单元将处理后的数据按照一定的协议格式(#CO浓度值|CH₄浓度值|光强值|)，由USB线直接传到上位机。

如图5所示为，本发明工作流程图，开机，运行激光器至波长稳定，开始数据采集及处理和输送，直至完成测量，关闭激光器及相关电供设备。

如图6所示为开放式长光程CO监测仪在线监测软件的界面，该软件可以完成对CO监测仪的数据***自检、采集、处理、显示、数据管理功能。

图7为开放式长光程CO监测仪在线监测软件流程图。

Claims (2)

1.一种开放式长光程CO和CH₄监测仪器，包括主机箱以及开放式长光程光路，所述主机箱内安装有中心波长为2344mm的近红外DFB半导体激光器以及相应的激光器电流控制和温度控制模块，还安装有信号发生电路，所述的激光器温度控制模块的输出端与所述DFB半导体激光器的温度控制端的输入端电相连，所述信号发生电路的输出端和所述激光器电流控制和温度控制模块的输入端电相连；所述信号发生电路的输入端与电子硬件控制电路相连，其特征在于：所述主机箱内还安装有离轴抛物面镜，所述近红外DFB半导体激光器和所述离轴抛物面之间的光路上安装有位置高度可调的标气池，所述离轴抛物面镜焦点上安装有位置高度可调的光电探测器，将DFB近红外半导体激光器输出激光中心波长调谐到2344nm作为CO和CH₄的检测激光光源，同时，将信号发生电路产生的调制信号叠加在激光器电流控制和温度控制模块上，所述DFB近红外半导体激光器发射的2344nm波长的激光经反射式光纤准直耦合器耦合为准直激光，所述准直激光经离轴抛物面镜的中心孔进入开放式长光程光路，并被开放式长光程光路的角发射镜反射后沿原光路返回，获得CO和CH₄气体的吸收光谱信息，反射回来的激光被主机箱内的离轴抛物面镜聚集到到光电探测器上，光电探测器光纤连接信号调理电路，信号调理电路电连接电子硬件控制电路，所述的电子硬件控制电路和上位机之间进行数据通信；所述电子硬件控制电路基于单片机，所述的单片机结合多光谱拟合算法计算CO和CH₄气体的吸收光谱信息反演出CO和CH₄气体的柱浓度，在上位机的开放式长光程气体监测仪在线监测软件上显示管理；

所述主机箱有上盖、下盖、前面板、后面板，所述的后面板中间连接有延伸到主机箱内的连接杆，所述反射式光纤准直耦合器、离轴抛物面镜均和连接杆保持同一高度，所述的离轴抛物面后设有位置高度可调的反射镜一，当标气池工作时，所述的标气池和反射镜一位置调节和连接杆同一高度，均位于激光主光路上；所述的主机箱上还设置有电源、电源开关以及电子硬件控制板与上位机之间连接的数据通信设备。

2.根据权利要求1所述的一种开放式长光程CO和CH₄监测仪器，其特征在于：所述开放式长光程光路由楔形窗片一、楔形窗片二以及角反射镜构成，所述楔形窗片一安装在所述的主机箱激光出射窗口上，所述的楔形窗片二安装在角反射镜前端，所述的楔形窗片一、楔形窗片二以及角反射镜均在激光的主光路上，所述的楔形窗片一、楔形窗片二与激光主光路不垂直。