基于可调谐激光器具有自校准功能的气体遥测装置的制作方法

本发明属于气体测量技术领域，涉及一种可以实现自校准的气体遥测装置。

背景技术：

光谱技术作为近年来快速发展的新兴技术，可以实现非接触在线、大范围、多成分、连续的快速测量工作，成为大气环境监测技术的发展方向和技术主流。本发明是基于可调谐半导体激光吸收光谱(tdlas)技术来实现对大气中气体遥测的。tdlas技术是在传统红外光谱技术发展而来的，基本原理是利用了气体吸收外界能量后产生的光谱，对气体的吸收光谱进行分析可以获取气体的浓度信息。传统的气体遥测装置中只有一条测量路径，系统的测量和校准必须分开单独进行，现有的技术方案无法实现自校准式测量。首先通过测量已知浓度的标准气体检验系统的测量结果并进行相应的校准，之后再对大气进行现场测量。当校准之后进行现场测量过程中产生系统偏差，就会导致测量结果不准确，单从测量结果中无法发现该偏差，这种技术方案也就不能确保测量结果的准确性。因此，亟需一种可以实现自校准的气体遥测仪。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供基于可调谐激光器具有自校准功能的气体遥测装置，本发明的有益效果是通过特殊设计可以同时实现气体浓度的测量与校准，在现场测量气体浓度过程中就可以确定测量结果是否准确，从而有效地降低了测量结果的误差。可以实现大气中多种痕量和污染气体的长距离遥测，如二氧化碳(co2)、甲烷(ch4)和氮氧化物(nox)等，具有响应速度快、无需采样预处理、实时在线测量等特点，带有的自校准式结构可以完成测量结果的校准，获得准确的气体含量信息。自校准式气体遥测装置可以应用于天然气场、火灾现场和空气质量监测等方面，对气象研究和环境保护具有重要意义。

本发明所采用的技术方案是包括激光器、1:1光纤分束器、两个光纤准直器、密封式多次反射池、两个光电探测器、角反射器、望远镜、两个凸透镜、滤光片和两个数据采集卡；其中，激光器发射的激光首先经过1:1的光纤分束器分为两束能量相同的激光，一束经光纤准直器后进入多次反射池，经过多次反射之后从多次反射池射出被光电探测器接收，再送入数据采集卡，再通过数据采集卡处理和分析得到标准气体的浓度；另一束激光经过光纤准直器后发射到外场大气中，激光经角反射器的反射后，由望远镜接收，激光依次经过凸透镜、滤光片和凸透镜最终汇聚到光电探测器上，再送入数据采集卡，同样由数据采集卡得到外场大气中所测气体的浓度。

进一步，密封式多次反射池包括两个阀门和一个顶部的压力传感器，两个阀门分别用来控制进气和出气，通过阀门往密封式多次反射池内充入已知浓度的标准气体，并使压力传感器显示为标准大气压数值，将测量到的数值与气体所标的数值对比，二者偏差较大时，调整系统的各个部分，使两个数值接近甚至相同，更换不同浓度的标准气体，多次调整系统使得测量数值与真实值相同，此时测量外场大气气体的浓度即为准确的结果，完成了气体浓度的自校准。

进一步，密封式多次反射池基于herriottcell原理从而形成多次反射。

附图说明

图1是自校准式气体遥测装置的结构示意图。

图中，1、激光器；2、1:1光纤分束器；3、光纤准直器；4、密封式多次反射池；4-1、阀门；4-2、压力传感器；5、光电探测器；6、角反射器；7、望远镜；8、凸透镜；9、滤光片；10、数据采集卡。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于可调谐激光器具有自校准功能的气体遥测装置如图1所示，包括激光器1、1:1光纤分束器2、两个光纤准直器3、密封式多次反射池4、两个光电探测器5、角反射器6、望远镜7、两个凸透镜8、滤光片9和两个数据采集卡10。其中，在密封式多次反射池4基于herriottcell原理从而形成多次反射，其中，激光器1发射的激光首先经过1:1的光纤分束器2分为两束能量相同的激光，一束经光纤准直器3后进入多次反射池4，经过多次反射之后从多次反射池4射出被光电探测器5接收，再送入数据采集卡10，再通过数据采集卡10处理和分析得到标准气体的浓度；另一束激光经过光纤准直器3后发射到外场大气中，激光经角反射器6的反射后，由望远镜7接收，激光依次经过凸透镜8、滤光片9和凸透镜8最终汇聚到光电探测器5上，再送入数据采集卡10，同样由数据采集卡10得到外场大气中所测气体的浓度。

密封式多次反射池4包括两个阀门4-1和一个顶部的压力传感器4-2，两个阀门4-1分别用来控制进气和出气。通过阀门4-1往密封式多次反射池4内充入已知浓度的标准气体，并使压力传感器4-2显示为标准大气压数值，将测量到的数值与气体所标的数值对比，二者偏差较大时，调整系统的各个部分，使两个数值接近甚至相同，更换不同浓度的标准气体，多次调整系统使得测量数值与真实值相同，此时测量外场大气气体的浓度即为准确的结果，完成了气体浓度的自校准。

系统中包括两路光路，可以同时进行标准浓度气体的测量和大气中未知浓度气体的测量，为气体遥测装置的自校准提供了可行性。

本发明的优点还在于系统中安装的1:1光纤分束器使一束激光分为两束能量相同的激光，分别进入到密封式多次反射池内和外场大气中，密封式多次反射池内含有已知浓度的标准气体，其内部光程可达几十米，可以测量出低浓度的气体，这样系统可以同时得到多次反射池内和外场大气中所测气体的浓度，根据标准气体的测量结果调整系统，使其测量数值与气体所标数值相同，气体遥测装置则工作正常，此时外场大气中气体的测量结果即为准确，可以实现到系统的自校准。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了基于可调谐激光器具有自校准功能的气体遥测装置，激光器发射的激光首先经过1:1的光纤分束器分为两束能量相同的激光，一束经光纤准直器后进入多次反射池，经过多次反射之后从多次反射池射出被光电探测器接收，再送入数据采集卡，再通过数据采集卡处理和分析得到标准气体的浓度；另一束激光经过光纤准直器后发射到外场大气中，激光经角反射器的反射后，由望远镜接收，激光依次经过凸透镜、滤光片和凸透镜最终汇聚到光电探测器上，再送入数据采集卡，同样由数据采集卡得到外场大气中所测气体的浓度。本发明的有益效果是可以同时实现气体浓度的测量与校准，在现场测量气体浓度过程中就可以确定测量结果是否准确，从而有效地降低了测量结果的误差。

技术研发人员：李杰;信丰鑫;刘智深;唐秋华;张国正;常德林;田继辉
受保护的技术使用者：国家海洋局第一海洋研究所;中国海洋大学;青岛海洋科学与技术国家实验室发展中心
技术研发日：2018.09.14
技术公布日：2019.01.01