一种痕量N2O气体检测系统的制作方法

所属技术领域

本发明涉及一种检测系统，尤其涉及一种痕量n2o气体检测系统。

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。

技术实现要素：

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气体检测系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

痕量n2o气体检测系统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系统、光路系统、气体的光谱吸收系统、光电探测器、锁相放大器以及嵌入式数据采集与处理系统，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。

所述的系统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，提高了检测系统的灵敏度。

本发明的有益效果是：

痕量n2o气体检测系统具有较好的重复性，相对标准偏差为0.137％。该系统对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是验系统结构。

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气体检测系统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系统、光路系统、气体的光谱吸收系统、光电探测器、锁相放大器以及嵌入式数据采集与处理系统。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系统中，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4khz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，本实验系统当中参考信号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转化后进入嵌入式系统，该系统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50cm，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5.5m，提高了检测系统的灵敏度。

技术特征：

技术总结
一种痕量N2O气体检测系统，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；系统能够在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，系统相对标准偏差为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。

技术研发人员：赵宝瀛
受保护的技术使用者：赵宝瀛
技术研发日：2016.07.24
技术公布日：2018.02.02