CN112557322A - 基于离轴积分腔***的双光路气体浓度测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于离轴积分腔***的双光路气体浓度测量装置及方法。装置主要由依次连接的电脑(1)、任意函数发生器(2)、温度电流控制器(3)、激光器、光纤、内置待测气体的光学谐振腔(10)、光电传感器(12)和数据采集器(13)组成，其中，激光器为输出不同波长的第一激光器(4)和第二激光器(5)，光纤为第一光纤(6)和第二光纤(7)；方法包括采集和处理光电传感器信号，尤为通过电脑生成两组相同频率、波形和相位差为180°的锯齿波信号，以由任意函数发生器将其转换为电信号后送往温度电流控制器，用于控制第一激光器和第二激光器交替输出激光信号。它可同时进行两种痕量气体浓度的高效探测和物质化学成分的精确分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体浓度测量装置及方法，尤其是一种基于离轴积分腔***的双光路气体浓度测量装置及方法。
背景技术
探测痕量气体浓度是当前热门的科学研究课题，随着城市工业化的不断发展，石油、煤炭、化工等行业在生产过程中不断地产生大量的污染环境、破坏生态的有毒有害废气。这些气体在大气中虽然浓度很低，但是对大气环境、全球气候及人类健康有着潜移默化的影响。如工业活动排放的过量二氧化碳会导致全球变暖，引起北极冰川消融使该处可燃冰不断释放出大量的甲烷，再次引起全球升温形成连锁恶性循环。因此，对于气体浓度的定量、定性、定源的检测和分析是十分必要的。
作为吸收光谱技术中的离轴积分腔吸收光谱技术，具有灵敏度高、稳定性好的基础特性，可对大气中低浓度气体进行高精度探测，如中国发明专利申请CN 110068548 A于2019年7月30日公布的本申请人的《用于离轴积分腔***中激光器的波长锁定装置及其锁定方法》。该专利申请中提及的锁定装置包括输入端与温度电流控制器电连接、输出端与光纤连接的激光器，以及光纤输出光路上的待测气体和光电传感器，其中，待测气体置于光轴偏离光纤输出光路的光学谐振腔中，温度电流控制器与光电传感器间电连接由依次串接的数据采集分析器件、模拟PID器和加法器，以及输出端与加法器电连接的锯齿波发生器组成的波长锁定部件；锁定方法为对激光器采用锯齿波调制和对采集的信号按含完整待测气体吸收峰、等长的数据段进行截取，并将截取的首个数据段与后续增加一个数据点截取的数据段进行线性相关运算，来获取激光器中心波长的漂移信号。这种波长锁定装置及方法虽能将激光器输出的频率稳定在特定的吸收峰上，以广泛地用于基于离轴积分腔***的痕量气体浓度探测和物质化学成分分析，却也存在着只能使用一路激光器对气体进行测量，致使检测效率低之不足。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种气体浓度检测效率高、使用方便的基于离轴积分腔***的双光路气体浓度测量装置。
本发明要解决的另一个技术问题为提供一种基于离轴积分腔***的双光路气体浓度测量方法。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为，基于离轴积分腔***的双光路气体浓度测量装置包括依次连接的温度电流控制器、激光器、光纤、内置待测气体的光学谐振腔、光电传感器和数据采集器，特别是：
所述激光器为输出不同波长的第一激光器和第二激光器；
所述光纤为连接第一激光器的第一光纤和连接第二激光器的第二光纤；
所述数据采集器和温度电流控制器间依次连接有电脑和任意函数发生器，以由电脑发出两组相同频率、波形和相位差为180°的锯齿波信号，来由任意函数发生器将其转换为电信号后送往温度电流控制器，用于控制第一激光器和第二激光器交替输出激光信号。
作为基于离轴积分腔***的双光路气体浓度测量装置的进一步改进：
优选地，第一激光器和第二激光器均为分布反馈式半导体激光器。
优选地，第一光纤、第二光纤与光学谐振腔间分别置有可调焦距均为7.5mm的第一可调节聚焦透镜组、第二可调节聚焦透镜组。
优选地，光学谐振腔为光轴均偏离第一光纤和第二光纤输出光轴的管状，其管侧分别置有进气口和出气口，管两端面分别置有前高反镜和后高反镜，其中，管状光学谐振腔的管长为28cm、管内径为2cm，进气口和出气口的直径均为1cm，前高反镜和后高反镜的反射率均≥99.99％。
优选地，光学谐振腔与光电传感器间置有固定焦距为25mm的聚焦透镜。
优选地，光电传感器为铟镓砷光电传感器。
优选地，数据采集器为带有A/D和D/A变换的单片机。
优选地，任意函数发生器为自带编程功能和模拟输出功能的信号输出器。
为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为，基于离轴积分腔***的双光路气体浓度测量方法包括采集光电传感器的信号和对其进行处理，特别是：
对激光器输出的调制为，
生成锯齿波信号a，并以锯齿波信号a的中值为分界点，将初始值至中值段设为无出光段、中值至末尾值段设为扫描段；
保持上述锯齿波信号a的频率、波形不变，通过改变其180度相位生成锯齿波信号b，使锯齿波信号b的扫描段位于锯齿波信号a的无出光段、无出光段位于锯齿波信号a的扫描段；
将锯齿波信号a和锯齿波信号b转换为电压信号，使无出光段输出的电压为0伏、扫描段输出的电压为检测吸收光谱所需的扫描电压；
将扫描电压转换为交替驱动第一激光器和第二激光器的扫描电流。
作为基于离轴积分腔***的双光路气体浓度测量方法的进一步改进：
优选地，锯齿波信号a和锯齿波信号b的频率为160Hz。
相对于现有技术的有益效果是：
其一，装置采用这样的结构后，两路不同波长的激光均入射到内置待测气体的光学谐振腔中，来针对不同种类的气体进行探测，极大地提高了探测的效率，节省了测量的时间。
其二，测量方法简单、便捷和高效。采用时分复用技术来调制激光器的输出，在确保气体浓度探测精度的基础上，将两束激光于光学谐振腔中在时间上严格地划分开来，使两路光能够在单个光电传感器上进行有效的区分，避免了因光强叠加而导致的信号混乱问题，使本发明可同时进行两种痕量气体浓度的高效探测和物质化学成分的精确分析。
附图说明
图1是本发明测量装置的一种基本结构示意图。
图2是本发明测量方法的一种时分复用示意图。其中，图2a为生成的锯齿波信号a和锯齿波信号b的示意图；图2b为光电传感器实际采集到的光电信号的示意图。
图3是使用本发明对浓度为1840ppb的CH4和439.5ppm的CO2进行采样间隔为20秒、时长为20个小时的测量结果图。其中，图3a为对CH4的浓度测量结果；图3b为CH4的浓度测量结果的Allan方差，其中在3580秒时最小探测极限达到了0.34ppb；图3c为对CO2的浓度测量结果；图3d为CO2的浓度测量结果的Allan方差，其中在2040秒时最小探测极限达到了0.05ppm。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
参见图1、图2和图3，基于离轴积分腔***的双光路气体浓度测量装置的构成如下：
依次连接的电脑1、任意函数发生器2、温度电流控制器3、激光器、光纤、可调节聚焦透镜组、内置待测气体的光学谐振腔10、聚焦透镜11、光电传感器12和数据采集器13构成了本装置，其中：
电脑1为微型计算机；
任意函数发生器2为自带编程功能和模拟输出功能的信号输出器；
激光器为输出不同波长的第一激光器4和第二激光器5，其均为分布反馈式半导体激光器；
光纤为连接第一激光器4的第一光纤6和连接第二激光器5的第二光纤7；
可调节聚焦透镜组为可调焦距均为7.5mm的第一可调节聚焦透镜组8、第二可调节聚焦透镜组9；
光学谐振腔10为光轴均偏离第一光纤6和第二光纤7输出光轴的管状，其管侧分别置有进气口和出气口，管两端面分别置有前高反镜101和后高反镜102，其中的管状光学谐振腔10的管长为28cm、管内径为2cm，进气口和出气口的直径均为1cm，前高反镜101和后高反镜102的反射率均≥99.99％；
聚焦透镜11的固定焦距为25mm；
光电传感器12为铟镓砷光电传感器；
数据采集器13为带有A/D和D/A变换的单片机。
测量时，本发明采用时分复用技术调制激光器输出的过程为：电脑1生成频率为160Hz的锯齿波信号a，并以锯齿波信号a的中值为分界点，将初始值至中值段设为无出光段、中值至末尾值段设为扫描段；保持上述锯齿波信号a的频率、波形不变，通过改变其180度相位生成锯齿波信号b，使锯齿波信号b的扫描段位于锯齿波信号a的无出光段、无出光段位于锯齿波信号a的扫描段。接着，将锯齿波信号a和锯齿波信号b通过任意函数发生器2转换为电压信号，获得无出光段输出的电压为0伏、扫描段输出的电压为检测吸收光谱所需的扫描电压后，将其送往温度电流控制器3，用于由温度电流控制器3将扫描电压转换为交替驱动第一激光器4和第二激光器5的扫描电流。
本发明探测气体浓度的过程为：交替发光的第一激光器4和第二激光器5输出的光束分别经第一光纤6、第一可调节聚焦透镜组8和第二光纤7、第二可调节聚焦透镜组9后，经前高反镜101分时注入光学谐振腔10，与光学谐振腔10中的待测气体CH4和CO2在前高反镜101和后高反镜102间进行往返多次的接触，并由后高反镜102透射、聚焦透镜11聚焦后，由光电传感器12转换成电信号，之后，经数据采集器13对其进行采集和分析处理，得到如图3所示的结果。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的基于离轴积分腔***的双光路气体浓度测量装置及方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种基于离轴积分腔***的双光路气体浓度测量装置，包括依次连接的温度电流控制器(3)、激光器、光纤、内置待测气体的光学谐振腔(10)、光电传感器(12)和数据采集器(13)，其特征在于：
所述激光器为输出不同波长的第一激光器(4)和第二激光器(5)；
所述光纤为连接第一激光器(4)的第一光纤(6)和连接第二激光器(5)的第二光纤(7)；
所述数据采集器(13)和温度电流控制器(3)间依次连接有电脑(1)和任意函数发生器(2)，以由电脑(1)发出两组相同频率、波形和相位差为180°的锯齿波信号，来由任意函数发生器(2)将其转换为电信号后送往温度电流控制器(3)，用于控制第一激光器(4)和第二激光器(5)交替输出激光信号。
2.根据权利要求1所述的基于离轴积分腔***的双光路气体浓度测量装置，其特征是第一激光器(4)和第二激光器(5)均为分布反馈式半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的基于离轴积分腔***的双光路气体浓度测量装置，其特征是第一光纤(6)、第二光纤(7)与光学谐振腔(10)间分别置有可调焦距均为7.5mm的第一可调节聚焦透镜组(8)、第二可调节聚焦透镜组(9)。
4.根据权利要求1所述的基于离轴积分腔***的双光路气体浓度测量装置，其特征是光学谐振腔(10)为光轴均偏离第一光纤(6)和第二光纤(7)输出光轴的管状，其管侧分别置有进气口和出气口，管两端面分别置有前高反镜(101)和后高反镜(102)，其中，管状光学谐振腔(10)的管长为28cm、管内径为2cm，进气口和出气口的直径均为1cm，前高反镜(101)和后高反镜(102)的反射率均≥99.99％。
5.根据权利要求1所述的基于离轴积分腔***的双光路气体浓度测量装置，其特征是光学谐振腔(10)与光电传感器(12)间置有固定焦距为25mm的聚焦透镜(11)。
6.根据权利要求1所述的基于离轴积分腔***的双光路气体浓度测量装置，其特征是光电传感器(12)为铟镓砷光电传感器。
7.根据权利要求1所述的基于离轴积分腔***的双光路气体浓度测量装置，其特征是数据采集器(13)为带有A/D和D/A变换的单片机。
8.根据权利要求1所述的基于离轴积分腔***的双光路气体浓度测量装置，其特征是任意函数发生器(2)为自带编程功能和模拟输出功能的信号输出器。
9.一种基于离轴积分腔***的双光路气体浓度测量方法，包括采集光电传感器的信号和对其进行处理，其特征在于：
对激光器输出的调制为，
生成锯齿波信号a，并以锯齿波信号a的中值为分界点，将初始值至中值段设为无出光段、中值至末尾值段设为扫描段；
保持上述锯齿波信号a的频率、波形不变，通过改变其180度相位生成锯齿波信号b，使锯齿波信号b的扫描段位于锯齿波信号a的无出光段、无出光段位于锯齿波信号a的扫描段；
将锯齿波信号a和锯齿波信号b转换为电压信号，使无出光段输出的电压为0伏、扫描段输出的电压为检测吸收光谱所需的扫描电压；
将扫描电压转换为交替驱动第一激光器和第二激光器的扫描电流。
10.根据权利要求9所述的基于离轴积分腔***的双光路气体浓度测量方法，其特征是锯齿波信号a和锯齿波信号b的频率为160Hz。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210326 |