一种基于中红外可调谐半导体光源光谱吸收技术的甲烷浓度检测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于中红外可调谐半导体光源光谱吸收技术的甲烷浓度检测装置，属光谱吸收领域。本实用新型包括信号发生器、LED驱动电路、LED、气室、光电探测器、数字锁相放大器、带有数据采集卡的电脑和自聚焦透镜。本实用新型使用可电调制的中红外LED作光源，结合波长调制技术和谐波检测技术检测甲烷浓度。信号发生器产生低频锯齿驱动信号和高频正弦调制信号，对光源LED出射光进行频率和强度调制，使LED发出的光中心波长稳定在3.43μm，LED出射光通过气室时被甲烷气体吸收，用锁相放大器提取其二次谐波信号即可计算待测甲烷浓度。本实用新型无需制冷，价格便宜，测量结果精确，测量灵敏度高，拓宽了可调谐半导体光源吸收光谱技术的应用范围。
【专利说明】一种基于中红外可调谐半导体光源光谱吸收技术的甲烷浓度检测装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及光谱吸收技术的甲烷浓度检测装置，具体涉及一种基于中红外可调谐半导体光源吸收光谱技术的甲烷浓度检测装置。
【背景技术】
[0002]甲烷是常见的易燃易爆气体。瓦斯是煤矿自然灾害的重要根源，瓦斯的主要成分是甲烷，约占83?89%。甲烷也被认为是温室效应最主要的气体之一，据报道甲烷吸收红外线能力是二氧化碳的15?30倍，占据整个温室贡献量的15%。及时、准确地检测甲烷气体的产生源、泄漏源及浓度，对于工矿安全运行、人身安全和环境保护都有着重要的作用。
[0003]光谱吸收法是通过检测气体透射光强或反射光强的变化来检测气体浓度的方法。每种气体分子都有自己的吸收谱特征，光源的发射谱与气体吸收谱重叠的部分才被收，吸收后的光强将发生变化。当光源的发射波长与气体的吸收波长相吻合时，就会发生共振吸收，其吸收强度与该气体的浓度有关，通过测量吸收光强度就可测量气体的浓度。波长调制技术将激光通过低频电流调制，使其以低频锯齿信号扫描吸收谱线，再注入高频正弦信号对激光频率和强度进行调制。将波长调制技术和光谱吸收技术相结合以提高测量精度和灵敏度。甲烷分子具有4个固有振动，对应的波长分别为:3.43 μ m,6.53 μ m, 3.31 μ m,
7.66 μ m，均位于中红外波段，目前这一波段的光吸收甲烷气体检测多选用3.31 μ m处吸收波长，但是由于这一波段的激光光源需要低温制冷，且价格昂贵限制了它的推广。目前国内夕卜，大多选择甲烷气体在近红外波段的泛频和组合频为吸收谱线，波长分别为1.65 μ m和
1.33 μ m，利用TDLAS技术测量甲烷浓度。但甲烷在近红外波段的吸收远小于其在中红外波段的吸收。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种基于中红外可调谐半导体光源吸收光谱技术甲烷浓度检测装置，是在中红外可调谐半导体激光吸收光谱技术基础上，用中红外LED代替中红外激光器检测甲烷浓度的检测装置。
[0005]本发明解决技术问题采用的技术方案是:
[0006]本发明包括信号发生器、LED驱动电路、LED、气室、光电探测器、数字锁相放大器、带有数据采集卡的电脑和自聚焦透镜；LED发出的光通过尾纤进入气室，再入射到光电探测器，光电探测器的信号线和数字锁相放大器相连，数字锁相放大器的信号线和装有数据采集卡的电脑相连；信号发生器的信号线分别和LED驱动电路和数字锁相放大器相连；气室一端的自聚焦透镜和LED尾纤相连，另一端自聚焦透镜连接光纤并和光电探测器相连。
[0007]所述的气室为长为82cm直径为9_的圆柱密闭腔体，气室两侧分别开有相同尺寸的小圆孔，气室内部距其底边高度为2mm处铺有80cm导轨，导轨两端装有可自由移动的自聚焦透镜，气室上测距两侧3cm处开有直径均为8mm进气口和出气口。[0008]所述的半导体光源LED为中红外光源，其光谱能量集中，稳定性好，价格低廉，便于电调制。
[0009]本发明的有益效果是:
[0010]将可调谐半导体光源光谱吸收技术和谐波检测技术相结合提高了测量精度和灵敏度。利用可电调制的中红外LED作光源代替中红外激光器，无需制冷，且价格便宜，易于推广。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明的结构框图。
[0012]图2是气室的结构示意图。
[0013]图中:1、信号发生器，2、LED驱动电路，3、LED，4、气室，5、光电探测器，6、锁相放大器，7、电脑，8、自聚焦透镜，9、自聚焦透镜，10、导轨，11、进气口，12、出气口，13、小圆孔，14、小圆孔。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步说明。
[0015]当一束光强为Itl的输入平行光通过混有甲烷和空气的气室时，如果光源覆盖气体吸收线，光通过气体时发生衰减。根据朗伯一比尔定律，输出光强It和输入光强Itl和气体浓度之间的关系为:
[0016]
【权利要求】
1.一种基于中红外可调谐半导体光源吸收光谱技术的甲烷浓度检测装置，其特征在于:包括信号发生器(1)、LED驱动电路(2)、LED(3)、气室(4)、光电探测器(5)、数字锁相放大器出)、带有数据采集卡的电脑(7)和自聚焦透镜(8) ；LED(3)发出的光通过尾纤进入气室(4)，再入射到光电探测器(5)，光电探测器(5)的信号线和数字锁相放大器(6)相连，数字锁相放大器(6)的信号线和装有数据采集卡的电脑(7)相连；信号发生器(I)的信号线分别和LED驱动电路(2)和数字锁相放大器(6)相连；气室(4) 一端的自聚焦透镜(8)和LED尾纤相连，另一端自聚焦透镜(9)连接光纤并和光电探测器(5)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于中红外可调谐半导体光源吸收光谱技术的甲烷浓度检测装置，其特征在于:所述的气室(4)为长为82cm直径为9mm的圆柱密闭腔体，气室两侧分别开有相同尺寸的小圆孔(13、14)，气室内部距其底边高度为2mm处铺有80cm导轨(10)，导轨(10)两端装有可自由移动的自聚焦透镜(8、9)，气室上测距两侧3cm处开有直径均为8mm进气口(11)和出气口(12)。
3.根据权利要求1所述的一种基于中红外可调谐半导体光源吸收光谱技术的甲烷浓度检测装置，其特征在于:所述的半导体光源LED为中红外光源，其光谱能量集中，稳定性好，价格低廉，便于电调制。
【文档编号】G01N21/3504GK203745372SQ201420128012
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2014年3月19日
【发明者】林晓露, 李裔, 郑万福, 谢江磊, 张政伟, 张彩霞 申请人:中国计量学院