CN107655854A - 一种痕量n2o气体检测*** - Google Patents

一种痕量n2o气体检测*** Download PDF

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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
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Abstract

一种痕量N2O气体检测***，利用光源调制、锁相放大等技术，实现了强杂波背景下气体浓度弱信号的解析；***能够在0～1％有效检测N20气体浓度，检测下限为5.0×10‑5，相对检测误差为0.11％，检测结果线性方程为y=192.69909x一0.00624，线性度为0．99807。多次检测实验表明，***相对标准偏差为0.137％，C02、O2、水蒸气等常见气体对检测结果无影响。改变激光器的中心波长，该方法亦可用于CO2，CH4等其它温室气体的检测。

Description

一种痕量N2O气体检测***
所属技术领域
本发明涉及一种检测***，尤其涉及一种痕量N2O气体检测***。
背景技术
N2O气体是主要的温室气体之一，尽管它在大气中的含量很少，浓度为0.3～0.4μL/L，但是N2O的增温效应极其明显，约为CO2的150～200倍，而且N2O在大气中极其稳定，其平均寿命可达120年。近几年来，由于农业与工业的迅速发展，导致大气中的N2O浓度以每年0.3％的速率增加，所以准确地监测N2O的浓度意义重大。
目前，国内外用于检测N2O的方法主要是气相色谱法，它具有检测精度高、可靠性强等优点，但也存在着一些明显的不足：检测仪器成本高，检测时间长；另外，由于O2，H2O，CO2的干扰会导致在测量N2O时色谱基线迅速抬升口]，影响气相色谱法对N2O气体测量的准确度。
发明内容
本发明的目的是为了快速、准确地测量N20气体浓度，设计了一种痕量N2O气体检测***。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
痕量N2O气体检测***包括功率与波长均可调的DFB激光器、激光器的温度和电流调制***、光路***、气体的光谱吸收***、光电探测器、锁相放大器以及嵌入式数据采集与处理***，可通过调整正弦调制信号的幅度来改善信号检测的性能，提高测量精度和检测灵敏度。
所述的DFB激光器采用了波长为1522nm、功率为5mW的商用DFB激光器，它是通过改变激光器的注入电流来改变激光器的激活区温度，实现激光器输出强度与波长的可调谐。激光器的工作温度为25℃，中心电流为60mA，实验通过50Hz低频锯齿波扫描电流的调谐，使激光波长扫过N2O气体吸收线1522.45nm，激光器调谐后的波长扫描为1520～1524nm。
所述的光电探测器选择了PIN型InGaAs光电二极管。
所述的锁相放大器采用哈佛大学的SR830。
所述的实验的气体吸收池长度为50cm。
所述的***设有多重反射腔结构，反射腔内部主要由4块平面镜组成，通过多重反射结构，在不改变气体吸收池长度L的基础上将气体的有效吸收路程增加到5.5m，提高了检测***的灵敏度。
本发明的有益效果是：
痕量N2O气体检测***具有较好的重复性，相对标准偏差为0.137％。该***对CO2、O2、水蒸气等常见气体具有较强的抗干扰能力，可应用于痕量N2O气体浓度的快速检测。同时，通过改变激光器的中心波长，该方法也可以推广应用于CO2、CH4等其他温室气体的检测。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是验***结构。
图2是多重反射式气体吸收池内部结构。
其中，[1]、[2]、[3]、[4]都是平面镜。
具体实施方式
如图1所示，痕量N2O气体检测***包括功率与波长均可调的DFB激光器、激光器的温度和电流调制***、光路***、气体的光谱吸收***、光电探测器、锁相放大器以及嵌入式数据采集与处理***。根据HIT—RAN数据库，N2O气体吸收线中心波数为6568.34243cm-1，吸收线强度为2.2×10-23cm/mol·cm-2，所以在本文设计的测量***中，采用了波长为1522nm、功率为5mW的商用DFB激光器，它是通过改变激光器的注入电流来改变激光器的激活区温度，实现激光器输出强度与波长的可调谐。激光器的工作温度为25℃，中心电流为60mA，实验通过50Hz低频锯齿波扫描电流的调谐，使激光波长扫过N2O气体吸收线1522.45nm，激光器调谐后的波长扫描为1520～1524nm。同时为了实现二次谐波I2f，探测，在锯齿波上叠加调制频率为4 kHz的高频正弦波来实现激光器输出频率的调谐，试验中通过调整正弦调制信号的幅度来改善信号检测的性能，提高测量精度和检测灵敏度。实验中，光电探测器选择了PIN型InGaAs光电二极管，锁相放大器采用哈佛大学的SR830。在进行二次谐波I2f，检测时，调制电路同时产生锯齿波扫描信号与正弦波调制信号，通过控制激光器的电流实现对激光波长的调制，调制后的激光Iin。通过气体吸收池，由于气体的光谱吸收作用，在接收端激光信号衰减为IOUT气体吸收池两端设置渐变折射率(GRIN)聚焦透镜，保证了激光平行人射进入气体吸收池，并且从吸收池出来的光全部汇聚到光电探测器的感光面上。经过探测器光电转换后的电信号VIN。通过前置放大电路的预处理后接入到锁相放大器输入端，而锁相放大器的参考信号端接调制信号VREF。根据互相关检测原理，可以用一个与被测信号频率相同的参考信号来提取被测信息，本实验***当中参考信号VREF与输入信号VIN中的有效成分频率f完全一致，可以达到从强杂波背景中提取微弱信号的目的。锁相放大器的输出信号经过A／D转化后进入嵌入式***，该***主要完成对气体浓度信号的采集、处理与显示，实现了N2O气体检测的自动化与可视化。
如图2所示，实验的气体吸收池长度为50 cm，而气体吸收池长度L越长，其光强变化量越大。为了获取更高的灵敏度，需要增加气体吸收光线的长度L，但也不能无限地增加吸收池的长度。本实验设计制作了多重反射腔结构，如图2所示，反射腔内部主要由4块平面镜组成，输入端平面镜[1]与rz]的交叉角和输出端平面镜r-3]与E4]的交叉角均为175。，而且平面镜[1]与[3]、E2]与[4]分别平行。通过多重反射结构，在不改变气体吸收池长度L的基础上将气体的有效吸收路程增加到5.5 m，提高了检测***的灵敏度。

Claims (6)

1.一种痕量N2O气体检测***包括功率与波长均可调的DFB激光器、激光器的温度和电流调制***、光路***、气体的光谱吸收***、光电探测器、锁相放大器以及嵌入式数据采集与处理***，可通过调整正弦调制信号的幅度来改善信号检测的性能，提高测量精度和检测灵敏度。
2.根据权利要求1所述的痕量N2O气体检测***，其特征是所述的DFB激光器采用了波长为1522nm、功率为5mW的商用DFB激光器，它是通过改变激光器的注入电流来改变激光器的激活区温度，实现激光器输出强度与波长的可调谐；激光器的工作温度为25℃，中心电流为60mA，实验通过50Hz低频锯齿波扫描电流的调谐，使激光波长扫过N2O气体吸收线1522.45nm，激光器调谐后的波长扫描为1520～1524nm。
3.根据权利要求1所述的痕量N2O气体检测***，其特征是所述的光电探测器选择了PIN型InGaAs光电二极管。
4.根据权利要求1所述的痕量N2O气体检测***，其特征是所述的锁相放大器采用哈佛大学的SR830。
5.根据权利要求1所述的痕量N2O气体检测***，其特征是所述的实验的气体吸收池长度为50cm。
6.根据权利要求1所述的痕量N2O气体检测***，其特征是所述的***设有多重反射腔结构，反射腔内部主要由4块平面镜组成，通过多重反射结构，在不改变气体吸收池长度L的基础上将气体的有效吸收路程增加到5.5m，提高了检测***的灵敏度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109490226A (zh) * 2018-09-19 2019-03-19 北京农业智能装备技术研究中心 一种土壤缝隙中的氧化亚氮测量装置及其测量方法
CN109530917A (zh) * 2018-12-24 2019-03-29 大族激光科技产业集团股份有限公司 激光焊接***及方法
CN115855871A (zh) * 2022-12-09 2023-03-28 重庆大学 一种基于固体拉曼激光的氧化亚氮监测装置

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