基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置及方法

文档序号:9522562阅读:579来源:国知局
基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及激光光谱检测和气体检测技术领域,具体为一种基于两种量子级联激 光光谱的多组分气体同时检测装置及方法。
【背景技术】
[0002] 传统的气体成分检测方法主要有化学方法和光学方法。化学方法通常需要对待分 析物进行预处理,过程复杂、耗时,易破坏样品的原状态及产生二次污染物;光学光谱方法 具有非接触性、非破坏、选择性强和响应快等优点,可实现实时原位的连续分析,使得其被 广泛地应用于大气环境监测、工业处理控制、燃烧成分检测和呼吸气体诊断等领域。
[0003] 常用的光学光谱方法有直接吸收光谱法和波长调制光谱法。直接吸收光谱法是 一种基于朗伯-比尔定律的直接检测方法,该方法通过分析光强的微弱变化量,即可反演 出被检测样品的浓度、速度、溫度等信息,但存在易受各种电子学和光学噪声干扰、灵敏度 有限等缺点。波长调制光谱是结合锁相检测原理,实现抑制噪声的高灵敏度间接检测方法, 但需要通过已知浓度样品校正后(标气校正),才能获取其他未知样品的浓度信息,较为复 杂。
[0004] 中红外光谱区化5-25μm)包含了大多数气体分子振转能级的基频带,成为高灵 敏度痕量气体检测的理想波段。量子级联激光器(QCL)作为一种新型的半导体激光,具有 体积小、寿命长、功耗低、线宽窄、功率相对较高和易于集成的特点,已成为中红外痕量气体 传感器研究的理想光源。Q化的宽波长调谐范围和快速响应特性可实现对多种气体分子的 同时高分辨率、高灵敏度检测。相比于传统的基于多个近红外激光器分时扫描的激光时分 多路探测技术才能实现多种气体同时分析的方法,系统更紧凑,有效测量周期更高。
[0005] 现有的研究中,利用量子级联激光器作为光源,单独采用直接吸收光谱法或波长 调制光谱法进行气体检测都已得到实际应用,如:中国专利公开号分别为CN102175641A和 CN104596987A的发明专利。前者公开了一种基于中外红量子级联激光器直接吸收光谱法的 痕量气体检测装置及方法,该方法利用脉冲量子级联激光器作为光源,单独采用直接吸收 光谱法,存在易受各种电子学和光学噪声干扰、灵敏度有限、气体浓度反演方法可靠性和测 量精度低等缺点;后者公开了一种基于中红外光谱的长光程开放光路结合波长调制技术的 痕量气体探测方法和装置,该方法利用连续量子级联激光器作为光源,单独采用波长调制 光谱法,存在需要额外标气频繁校正、高压下压力加宽效应降低灵敏度和可靠性等缺点。
[0006] 实际应用中上述两种传统方法都不够理想。本发明拟采用同时利用直接吸收光谱 法和波长调制光谱法对气体进行检测,此种方法能够克服只采用一种光谱方法进行气体检 测时所存在的缺陷,到目前为止,尚未发现任何关于同时采用上述两种基于量子级联激光 光谱方法对单一成分气体或者多组分气体进行检测的研究。

【发明内容】

[0007] 针对现有技术中的问题,本发明提供一种W室溫下工作的连续模式中红外量子级 联激光器作为光源,同时利用直接吸收光谱法和波长调制光谱法,无需外界标气校正、高灵 敏度、高精度的气体检测装置及方法。
[0008] 为实现W上技术目的,本发明的技术方案是:
[0009] 基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置,包括任意波函数发生 器、室溫连续模式中红外量子级联激光器、聚焦准直Ξ维调节系统、第一反射镜、样品吸收 池、离轴抛物面镜、第一探测器、数据采集单元和计算机,所述室溫连续模式中红外量子级 联激光器具有溫度控制单元和电流控制单元;
[0010] 所述任意波函数发生器输出只在任意半周期内叠加调制信号的周期性信号作为 室溫连续模式中红外量子级联激光器的电流驱动信号,所述电流驱动信号通过电流控制单 元对室溫连续模式中红外量子级联激光器的注入电流进行驱动;
[0011] 所述室溫连续模式中红外量子级联激光器作为光源发出激光信号;
[0012] 所述聚焦准直Ξ维调节系统对激光信号进行聚焦准直;
[0013] 所述第一反射镜将聚焦准直后的激光信号禪合到样品吸收池;
[0014] 所述样品吸收池充有待测气体,所述激光信号在样品吸收池内被气体分子吸收后 出射到离轴抛物面镜;
[0015] 所述离轴抛物面镜将激光信号聚集到第一探测器;
[0016] 所述第一探测器将接收到的激光信号通过数据采集单元转化为电信号并传输给 计算机;
[0017] 所述计算机对电信号进行分析处理得出待测气体信息。
[0018] 工作时,任意波函数发生器输出只在任意半周期内叠加调制信号的周期性信号作 为激光器的电流驱动信号,通过电流控制单元对室溫连续模式中红外量子级联激光器的注 入电流进行驱动,激光器发出一定频率范围的激光信号,然后激光信号经聚焦准直Ξ维调 节系统聚焦准直后由第一反射镜禪合进入样品吸收池,激光信号在样品吸收池内被气体分 子吸收后出射到离轴抛物面镜,离轴抛物面镜将其聚集到第一探测器上,然后经数据采集 单元将光信号转化成电信号后传输给计算机进行分析处理,计算机对不带调制信号的进行 直接吸收光谱分析,对带有调制信号的进行波长调制光谱分析。
[0019] 从上述描述可W看出,本技术方案具有W下优点:
[0020] (1)任意波函数发生器输出的只在任意半周期内叠加调制信号的周期性信号不仅 能够满足同时实现直接吸收光谱法和波长调制光谱法的需求,而且其中的调制信号能够使 得不同分子的调制系数分别最佳化,实现最佳化探测每个分子,从而提高系统灵敏度;通过 降低采样压力,避免了高压下压力加宽效应引起的分子自身或分子间吸收干扰效应,提高 了系统测量的可靠性。
[0021] (2)利用高信噪比的直接吸收光谱反演的气体信息,为基于Ubview数字锁相的 波长调制光谱分析气体信息过程提供校正,校正后即可通过波长调制光谱更精确地反演出 其他待分析样品浓度信息,两种光谱方法取长补短,实现高灵敏和高精度气体分析。
[0022] (3)直接吸收光谱分析方法相比于传统的只利用吸收谱线中屯、位置处吸收深度反 演气体浓度信息的方法,受噪声干扰小,反演算法可靠性和精确度更高;波长调制光谱分析 方法利用多元线性回归分析算法对未知浓度的样品信息进行反演,与传统校正方法中只利 用二次谐波信号中单个峰值大小进行校正相比,不易受各种噪声干扰的影响,测量误差小。
[0023] 作为改进,还包括分束器、参考吸收池和第二探测器,所述分束器设在聚焦准直Ξ维调节系统和第一反射镜之间,用于将聚焦准直Ξ维调节系统聚焦准直后的激光信号分 束,一部分激光信号经分束器反射进入参考吸收池,另一部分激光信号经分束器透射到第 一反射镜,所述参考吸收池为单通吸收池且充有纯的待测气体,所述进入参考吸收池的激 光信号被气体分子吸收后出射到第二探测器,所述第二探测器将接收到的激光信号通过数 据采集单元转化为电信号并传输给计算机,所述计算机对电信号进行分析处理得出室溫连 续模式中红外量子级联激光器的中屯、频率漂移信息并将其反馈给电流控制单元,所述电流 控制单元根据接收到的中屯、频率漂移信息,进行电流补偿,稳定室溫连续模式中红外量子 级联激光器的中屯、频率;
[0024] 利用参考吸收池光路获得室溫连续模式中红外量子级联激光器的中屯、频率漂移 信息,根据中屯、频率漂移信息实时调整室溫连续模式中红外量子级联激光器的偏置电流, 实现对激光中屯、波长的实时锁定,提高检测装置稳定性和测量精度。
[00巧]作为改进,还包括分束器、标准具和第二探测器,所述分束器设在聚焦准直Ξ维调 节系统和第一反射镜之间,用于将聚焦准直Ξ维调节系统聚焦准直后的激光信号分束,一 部分激光信号经分束器反射进入标准具,另一部分激光信号经分束器透射到第一反射镜, 所述进入标准具的激光信号在标准具内产生干设后出射到第二探测器,所述第二探测器将 接收到的激光信号通过数据采集单元转化为电信号并传输给计算机,所述计算机对接收到 的电信号进行分析处理得出室溫连续模式中红外量子级联激光器的相对波长调谐范围。 [00%] 利用标准具光路获得室溫连续模式中红外量子级联激光器的相对波长调谐范围, 再结合HITRAN光谱数据库中提供的分子谱线参数,实现对室溫连续模式中红外量子级联 激光器波长调谐范围的绝对校正,从而提高测量精度。
[0027] 作为改进,还包括指示光源、第二反射镜和半反半透镜,所述半反半透镜设在聚焦 准直Ξ维调节系统和第一反射镜之间,所述指示光源产生可见光信号,
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