一种基于交叉闭合光路的激光拉曼气体检测系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种气体检测方法，特别涉及一种基于交叉闭合光路的激光拉曼气体检测方法。
【背景技术】
[0002]石油，天然气等能源的开采存在着大量的混合气体，如何有效地将油气混合气体中不同气体检测分离出来是油气开采中的关键。传统的检测方法，如气相色谱技术，存在着不能连续检测，且维护费用大的问题，而红外光谱技术，有限的检测范围也使其只能应用与相应环境下。因此，寻求一种有效的气体检测方法，该方法应能连续有效地分辨出多种气体，并有着较高的精度，对石油化工的发展有着极大的意义。拉曼光谱技术的应用使之成为可能。
[0003]先前的设计中，例如美国AIR公司生产的多路拉曼气体检测仪器，以及中国实用新型专利，专利名称:一种录井用拉曼光谱检测系统，专利号:ZL201120284529.2。这些设计都对气体检测提出一些较好的措施，但是设计中采用的是单路谐振腔，利用激光在两面镜之间来回振荡。有时不仅激光强度难以得到保障，杂散光的影响也难以消除。
【发明内容】
[0004]本发明是针对现在拉曼气体检测仪器存在的问题，提出了一种基于交叉闭合光路的激光拉曼气体检测系统，采用全新的交叉闭合振荡光路设计，改善单路光路带来的回返光影响，实现在线多种气体的测量。
[0005]本发明的技术方案为:一种基于交叉闭合光路的激光拉曼气体检测系统，包括反应室、反应室上下的进出气管，反应室上面用于采集反应室内信号的光谱仪模块，两个两端带布鲁斯特窗的高压氦氖玻璃管，三棱镜，4个反射镜，两高压氦氖玻璃管对称斜插入反应室同侧，第一反射镜、第一高压氦氖管、三棱镜和第二反射镜依次放置在同一轴线上，第四反射镜、第二尚压氦氖管和第三反射镜对应与第一反射镜、第一尚压氦氖管和第二反射镜以反应室中心水平线对称放置；
从第一高压氦氖管射出的氦氖激光，通过第一反光镜折射到达第四反射镜，再折射通过第二高压氦氖管，到达第三反射镜，再折射到达第二反射镜，再经过三棱镜和第一高压氦氖管到达第一反射镜，形成一个闭合交叉环式光路;从第二高压氦氖管射出的氦氖激光，依次经过第三反射镜折射后到达第二反射镜，再经过三棱镜和第一高压氦氖管，到达第一反射镜，再折射到达第四反射镜，被折射后经过第二高压氦氖管到达第三反射镜，形成另一闭合交叉环式光路；
多路气体由反应室上的进气口进入反应室，与激光反应产生拉曼信号，混合光通过光谱仪模块收集，光谱仪模块处理信号送计算机分析生成拉曼频谱图。
[0006]所述高压氦氖管两端的布鲁斯特窗滤除了S偏振，使光线转换为线偏振光。
[0007]所述三棱镜放置在反应室外，按频率对光产生色散，分开各个频率的振荡光，具有选模作用。
[0008]所述光谱仪模块依次包括滤光片、单色仪以及传感器，接收的混合光中拉曼信号99%被滤光片透过后，单色仪收集光谱能量后送传感器。
[0009]本发明的有益效果在于:本发明基于交叉闭合光路的激光拉曼气体检测系统，结合有源腔增强技术和拉曼气体检测技术，采用有源腔，避免了无源腔的结构松散，采用交叉环式光路，降低了单路光路带来的回返光影响。系统具有拉曼光谱技术和高精度检测的特点，能同时在线测量多种气体，并进行实时在线分析。整个系统紧凑，可靠性高，检测效果优良，有较好的操作性。
【附图说明】
[0010]图1为本发明基于交叉闭合光路的激光拉曼气体检测系统示意图。
【具体实施方式】
[0011]如图1所示基于交叉闭合光路的激光拉曼气体检测系统示意图，反应室601上下有进出气管101、102;反应室601上面还有光谱仪模块201采集反应室601内信号；301，302为两端带有布鲁斯特窗的高压氦氖玻璃管，两高压氦氖玻璃管对称斜插入反应室，且位于同一侧;401为三棱镜;501、502、503、504为反射镜。激光由高压氦氖管中产生，反射镜501，高压氦氖管301，三棱镜401和反射镜502依次放置在同一轴线上，反射镜504，高压氦氖管302和反射镜503对应与反射镜501，高压氦氖管301和反射镜502以反应室601中心水平线对称放置。反射镜501与反射镜502相对于高压氦氖管302平行放置，反射镜503与反射镜504相对于高压氦氖管301平行放置。
[0012]具体实施过程:
波长为632.8nm的氦氖激光从高压氦氖管发出，一路从高压氦氖管301射出，通过反光镜501折转60度到达反射镜504，再折转60度经过高压氦氖管302，到达反射镜503，折转60度到达反射镜502，再经过三棱镜401，高压氦氖管301到达反射镜501，形成闭合交叉环式光路。另一路从高压氦氖管302射出，依次经过反射镜503，折转后到达反射镜502，再经过三棱镜401，高压氦氖管301，到达反射镜501，再折转到达反射镜504，折转后经过高压氦氖管302到达反射镜503，形成另一闭合交叉环式光路。多路气体从进气口进入反应室，与激光进行反应产生拉曼信号，再通过光谱仪模块中的滤光片和单色仪，再经过雪崩光电二极管，最后由计算机系统分析检测生成拉曼频谱图。本系统成功进行了包含氧气和氮气的混合气体的在线检测，本系统具有结构紧凑，交叉环式光路，稳定性好，可靠性上佳，便于操作;能同时测量多种气体，灵敏度高，适应性强，便于维护等特点。
[0013]避免了无源腔增强技术的结构松散;避免了单路结构所带来的回返光干扰。具有拉曼光谱技术和高精度检测的特点，能实现在线实时测量和多路气体同时检测。整个系统操作便捷，易于维护，稳定性上佳。
[0014]所述平面反射镜，该反射镜的反射率高达95%，与光路成60度。
[0015]所述光谱仪模块由单色仪，传感器和滤光片组成，滤光片对于拉曼光具有99%的透过率，而其它光线仅有5%的透过率。单色仪较好收集光谱能量，而传感器及后续检测器件则对光谱进行分析与检测。
[0016]所述布鲁斯特窗滤除了S偏振，使光线转换为线偏振光。
[0017]所述三棱镜能按频率对光进行色散，将各个频率的振荡光分离开来，具有选模作用。
[0018]所述两个高压氦氖管，提供了较强的初始激发光强。
[0019]所述交叉环式光路存在交叉聚焦点，提高振荡激发光的激发强度。
[0020]所述光线在交叉环式光路循环反射振荡，光线的振荡次数显著增加。
[0021]所述光线在交叉光路循环反射振荡，有利于杂散光经过反射镜时因散射角的变化溢出，减少非激发光的振荡。
[0022]所述三棱镜在反应室外，有利于杂散光的散射溢出，提高光线质量。
【主权项】
1.一种基于交叉闭合光路的激光拉曼气体检测系统，其特征在于，包括反应室、反应室上下的进出气管，反应室上面用于采集反应室内信号的光谱仪模块，两个两端带布鲁斯特窗的高压氦氖玻璃管，三棱镜，4个反射镜，两高压氦氖玻璃管对称斜插入反应室同侧，第一反射镜、第一高压氦氖管、三棱镜和第二反射镜依次放置在同一轴线上，第四反射镜、第二高压氦氖管和第三反射镜对应与第一反射镜、第一高压氦氖管和第二反射镜以反应室中心水平线对称放置； 从第一高压氦氖管射出的氦氖激光，通过第一反光镜折射到达第四反射镜，再折射通过第二高压氦氖管，到达第三反射镜，再折射到达第二反射镜，再经过三棱镜和第一高压氦氖管到达第一反射镜，形成一个闭合交叉环式光路;从第二高压氦氖管射出的氦氖激光，依次经过第三反射镜折射后到达第二反射镜，再经过三棱镜和第一高压氦氖管，到达第一反射镜，再折射到达第四反射镜，被折射后经过第二高压氦氖管到达第三反射镜，形成另一闭合交叉环式光路； 多路气体由反应室上的进气口进入反应室，与激光反应产生拉曼信号，混合光通过光谱仪模块收集，光谱仪模块处理信号送计算机分析生成拉曼频谱图。2.根据权利要求1所述基于交叉闭合光路的激光拉曼气体检测系统，其特征在于，所述高压氦氖管两端的布鲁斯特窗滤除了 S偏振，使光线转换为线偏振光。3.根据权利要求1所述基于交叉闭合光路的激光拉曼气体检测系统，其特征在于，所述三棱镜放置在反应室外，按频率对光产生色散，分开各个频率的振荡光，具有选模作用。4.根据权利要求1所述基于交叉闭合光路的激光拉曼气体检测系统，其特征在于，所述光谱仪模块依次包括滤光片、单色仪以及传感器，接收的混合光中拉曼信号99%被滤光片透过后，单色仪收集光谱能量后送传感器。
【专利摘要】本发明涉及一种基于交叉闭合光路的激光拉曼气体检测系统，两高压氦氖玻璃管对称斜插入反应室同侧，第一反射镜、第一高压氦氖管、三棱镜和第二反射镜依次放置在同一轴线上，第四反射镜、第二高压氦氖管和第三反射镜对应与第一反射镜、第一高压氦氖管和第二反射镜以反应室中心水平线对称放置；两个高压氦氖玻璃管射出的氦氖激光在系统中形成两个闭合交叉环式光路；多路气体由反应室上的进气口进入反应室，与激光反应产生拉曼信号，混合光通过光谱仪模块收集。系统结合有源腔增强技术和拉曼气体检测技术，采用有源腔，避免了无源腔的结构松散，采用交叉环式光路，降低了单路光路带来的回返光影响。能同时在线测量多种气体，并进行实时在线分析。
【IPC分类】G01N21/65
【公开号】CN105548139
【申请号】CN201610022876
【发明人】黄元申, 严永鹏, 张雷洪, 张大伟
【申请人】上海理工大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2016年1月14日