CN108459005A - 一种基于前向散射方向探测的***体拉曼光谱检测*** - Google Patents

一种基于前向散射方向探测的***体拉曼光谱检测*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及气体检测方法，特别是一种基于前向散射方向探测的***体拉曼光谱检测***。包括左腔镜、右腔镜、高压氦氖管、三棱镜、透镜、干涉光谱仪和气体室，左腔镜和高压氦氖管置于气体室左方，三棱镜和右腔镜置于气体室中，干涉光谱仪和透镜置于气体室右方，左腔镜、高压氦氖管、三棱镜、右腔镜和透镜从左至右依次放置、且中心点在同一轴线上，干涉光谱仪置于透镜右侧；高压氦氖管两端带布鲁斯特窗，气体室的上侧连接进气管、下侧连接出气管，透镜中心部位设置有黑色吸收膜。本发明基于前向散射方向探测，增加光通量，使信号得到了增强；本检测***能够在线实时测量多种气体，具有结构紧凑，稳定性好，可靠性高，检测效果优良等特点。

Description

一种基于前向散射方向探测的***体拉曼光谱检测***
技术领域
本发明属于石油、天然气勘探开发领域，涉及气体检测方法，特别是一种基于前向散射方向探测的***体拉曼光谱检测***。
背景技术
能源是我国经济社会发展的重要基础，录井是油气勘探开发的“眼睛”，气体检测技术是录井的关键技术。石油，天然气等能源的开采存在着大量的混合气体，如何有效地将油气混合气体中不同气体检测分离出来是油气开采中的关键。气体检测的目的主要有以下三点：一是直接发现油气层；二是做好有毒有害气体的监测预警；三是发现非烃类气体。
传统的多组分气体分析方法有：气相色谱法、红外光谱分析法、紫外差分光度法、热导分析法以及以各种电化学式气体传感器为代表的电化学分析法，这些方法大都难以同时实现对有机及无机气体的同时检测。其中气相色谱法需要利用色谱柱对气体进行分离富集，费时、费力、费用高，且仪器所需耗材众多、维护复杂，导致其检测效率偏差，难以满足工业气体实时检测的需求。红外光谱分析法和紫外差分光度法无法检测非极性气体成分，而热导分析法为非特异性物理检测技术，其传感器应用范围较窄，使用时限制因素较多，无法满足工业气体特别是复杂气体的多组分同时检测。电化学式气体传感器虽然体积小、价格低，但其对气体的识别度不高，使用中经常受到环境气体干扰而出现误报、漏报的情况，且传感器易中毒、使用寿命低，因此无法满足工业气体检测的精度要求。
拉曼光谱法是研究化合物分子受光照射后所产生的散射，散射光与入射光能级差和化合物振动频率、转动频率的关系的分析方法。与红外光谱类似，拉曼光谱是一种振动光谱技术。所不同的是，前者与分子振动时偶极矩变化相关，而拉曼效应则是分子极化率改变的结果，被测量的是非弹性的散射辐。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究谱线特征，几乎所有包含真实的分子键的物质都可以用于拉曼光谱分析，即固体、粉末、软膏、液体、胶体和气体都可以使用拉曼光谱进行分析。在***体拉曼光谱技术中，需要检测的气体与激光混合产生拉曼信号，混合光通过探测模块收集，探测模块处理信号后送计算机分析生成拉曼光谱图，通过分析拉曼光谱图，即可得到被检测气体的分子结构，获知不同气体成分。
现有的***体拉曼检测***中，存在量程范围窄导致的采样精度低等问题，由于拉曼信号是个极弱信号，量程范围探测极限浓度只能达到10个ppm，因此造成采样精度低的问题。若需在气体浓度含量极低的环境下进行检测，则需要探测的极限浓度需提升到几十个ppm。石油、天然气中所含其它非烃类气体的含量通常极低，现有的***体拉曼光谱检测技术，仍然无法满足检测痕量气体的能力。
发明内容
针对以上不足，本发明提供了一种基于前向散射方向探测的***体拉曼光谱检测***，可以有效增强拉曼光谱信号，适用于石油、天然气中痕量非烃类气体的检测。
本发明的技术方案为：
一种基于前向散射方向探测的***体拉曼光谱检测***，包括左腔镜、右腔镜、高压氦氖管、三棱镜、透镜、干涉光谱仪和气体室，所述左腔镜和高压氦氖管置于气体室左方，三棱镜和右腔镜置于气体室中，干涉光谱仪和透镜置于气体室右方，左腔镜、高压氦氖管、三棱镜、右腔镜和透镜从左至右依次放置、且中心点在同一轴线上，干涉光谱仪置于透镜右侧；所述高压氦氖管两端带布鲁斯特窗，所述气体室的上侧连接进气管、下侧连接出气管，所述透镜中心部位设置有黑色吸收膜。
所述黑色吸收膜为圆形，其半径为2mm。
所述干涉光谱仪放置于偏离左腔镜、高压氦氖管、三棱镜、右腔镜和透镜中心点所在轴线10°的位置。
所述三棱镜中心与气体室左壁的距离为260mm，三棱镜与右腔镜的中心距离为50mm。
所述高压氦氖管产生波长为632.8nm的激光。
本发明的有益效果在于：
1、结合前向散射方向探测，提高了信号强度，适用于痕量气体的检测；
2、将有源腔增强技术和拉曼气体检测技术相结合，采用有源腔，避免了无源腔的结构松散；
3、采用干涉光谱仪收集拉曼散射光，加宽了收集半径，提高了光通量；
4、***具有拉曼光谱技术和高精度检测的特点，能同时在线测量多种气体，并进行实时在线分析；
5、整个***紧凑，可靠性高，检测效果优良，有较好的操作性。
附图说明
图1为本发明基于前向散射方向探测的***体拉曼光谱检测***的结构图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
参考图1，本发明的基于前向散射方向探测的***体拉曼光谱检测***，包括左腔镜1、右腔镜2、高压氦氖管3、三棱镜4、干涉光谱仪5、气体室6和透镜7，左腔镜1和高压氦氖管3置于气体室6左方，三棱镜4和右腔镜2置于气体室6中，干涉光谱仪5和透镜7置于气体室6右方，三棱镜4中心与气体室6左壁的距离为260mm，与右腔镜2的中心距离为50mm。左腔镜1、高压氦氖管3、三棱镜4、右腔镜2和透镜7从左至右依次放置、且中心点在同一轴线上；干涉光谱仪5置于透镜7右侧，高压氦氖管3两端带布鲁斯特窗301，上、下侧设有磁钢302，气体室6的上侧连接进气管601、下侧连接出气管602，透镜7中心部位设置有圆形黑色吸收膜701。
本发明采用有源谐振腔高压氦氖管3产生激光，输出的激光经左侧的布鲁特斯窗301到达左腔镜1，布鲁斯特窗301滤除了激光中的S偏振光，使光线转换为线偏振光；激光被左腔镜1反射后经过高压氦氖管3、经右侧的布鲁斯特窗301垂直入射进入气体室6，进入的激光经三棱镜4到达右腔镜2，三棱镜4按频率对光产生色散，分开各个频率的偏振光，具有选模作用；激光被右腔镜2反射，再次反射回高压氦氖管3中，从高压氦氖管3的左窗口出射到左腔镜1上反射返回，形成循环。
待检测气体从气体室6上边的进气管601进入气体室6，从下面的出气管602排出，气体与激光反应产生拉曼信号；未被右腔镜2全部反射的激光出射到透镜7，透镜7的中心部位添加了黑色吸收膜701，激光被黑色吸收膜701吸收；干涉光谱仪5位于透镜7的右侧，对气体室6内的拉曼信号进行采集，送至计算机***进行分析生成拉曼频谱图。干涉光谱仪5具有多通道、高通量、波数准确度高及杂散光低等优点。干涉光谱仪5放置于偏离左腔镜1、高压氦氖管3、三棱镜4、右腔镜2和透镜7中心点所在轴线10°的位置，左腔镜1、高压氦氖管3、三棱镜4、右腔镜2和透镜7中心点所在轴线即激光光路，干涉光谱仪5放置在偏离光路10°的位置，避免未被反射的部分激发光直接进入干涉光谱仪5，对检测结果造成影响。
具体实施过程：波长为632.8nm的氦氖激光从高压氦氖管3振荡产生，光路经过左腔镜1反射后，经高压氦氖管3进入密闭气体室6；在气体室6中，光线先到达三棱镜4，再到达右腔镜2，被右腔镜2反射，经三棱镜4反射回原光路，形成光路循环。多路气体由气体室6上的进气管601进入气体室6，与激光反应产生拉曼信号，激发光与拉曼散射光之间存在夹角，未被右腔镜2全部反射的激发光出射到透镜7，被透镜7中心部位的黑色吸收膜701吸收，拉曼散射光被干涉光谱仪5收集到，送至计算机***分析生成拉曼频谱图。
本发明是基于前向散射方向探测，增加光通量，使信号得到了增强；先开激光再输入气体，测试是在封闭状态下进行的，能够在线实时测量多种气体，成功实现了包含氧气和氮气的混合气体在线即时检测；本发明的有源谐振腔结构，消除了无源腔的结构松散的缺陷，具有结构紧凑，稳定性好，可靠性高，检测效果优良等特点，有较好的操作性，具备拉曼光谱技术和高精度检测的优点，且灵敏度高，适应性强，便于维护。
以上公开的仅为本发明的实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于前向散射方向探测的***体拉曼光谱检测***，其特征在于，包括左腔镜（1）、右腔镜（2）、高压氦氖管（3）、三棱镜（4）、透镜（7）、干涉光谱仪（5）和气体室（6），所述左腔镜（1）和高压氦氖管（3）置于气体室（6）左方，三棱镜（4）和右腔镜（2）置于气体室（6）中，干涉光谱仪（5）和透镜（7）置于气体室（6）右方，左腔镜（1）、高压氦氖管（3）、三棱镜（4）、右腔镜（2）和透镜（7）从左至右依次放置、且中心点在同一轴线上，干涉光谱仪（5）置于透镜（7）右侧；所述高压氦氖管（3）两端带布鲁斯特窗（301），所述气体室（6）的上侧连接进气管（601）、下侧连接出气管（602），所述透镜（7）中心部位设置有黑色吸收膜（701）。
2.根据权利要求1所述的基于前向散射方向探测的***体拉曼光谱检测***，其特征在于，所述黑色吸收膜（701）为圆形，其半径为2mm。
3.根据权利要求1或2所述的基于前向散射方向探测的***体拉曼光谱检测***，其特征在于，所述干涉光谱仪（5）放置于偏离左腔镜（1）、高压氦氖管（3）、三棱镜（4）、右腔镜（2）和透镜（7）中心点所在轴线10°的位置。
4.根据权利要求1或2所述的基于前向散射方向探测的***体拉曼光谱检测***，其特征在于，所述三棱镜（4）中心与气体室（6）左壁的距离为260mm，三棱镜（4）与右腔镜（2）的中心距离为50mm。
5.根据权利要求1或2所述的基于前向散射方向探测的***体拉曼光谱检测***，其特征在于，所述高压氦氖管（3）产生波长为632.8nm的激光。
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