一种基于TDLAS的大量程气化H2O2浓度检测仪的制作方法

本实用新型属于气化过氧化氢浓度检测领域，具体涉及一种基于TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）的大量程气化H₂O₂浓度检测仪。

背景技术：

气化过氧化氢（Vaporized Hydrogen Peroxide，VHP）顾名思义就是气态的过氧化氢，无色、有刺激性气味，具有氧化还原作用，对厌氧芽孢杆菌杀灭效果良好。相对于液态过氧化氢，VHP具有更高效的灭菌杀毒效果，早在上世纪九十年代就通过美国环境保护署EPA核准，作为灭菌剂，已经在生物、医疗等领域广泛应用。

在VHP灭菌消毒过程中，VHP浓度的测量与控制是确保灭菌消毒有效和保护使用者生命健康的关键，例如，在无菌检查中，VHP灭菌浓度测量不准会导致结果假阳性或假阴性，而VHP残留浓度安全值要低于1ppm，否则会对人体造成不可逆转的伤害，等等。显然，VHP浓度的实时准确测量是各领域应用VHP进行灭菌消毒的基础和前提。目前，VHP浓度测量主要采用电化学传感器，依赖国外进口，生产商主要为德国的德尔格和英国ATI公司。此类产品不仅价格昂贵、维护成本高，而且存在测量响应滞后、寿命短、高浓度测量易中毒失效等问题。另外，国内相关VHP检测仪器也是采用进口电化学传感器作为其关键部件，而且测量浓度通常不高于1000ppm，测量范围较小。为了解决电化学传感器存在的问题，保证VHP测量的准确性，有必要提出一种快速响应、测量准确可靠、测量范围大的VHP浓度检测仪。

可调谐半导体激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）测量技术是一种常见的气体快速在线测量方法，具有选择性强、测量精度高，响应快等优点。中国专利授权公告号CN102706832A，授权公告日2014年5月21日，名称为“一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪”的发明专利，提供了一种波长调制的TDLAS氯化氢、甲烷、一氧化碳和水蒸气等单组分的气体分析仪。包括激光器、激光器驱动电路、温度控制电路、带有光学腔体的光学系统、红外探测器、强度调制消除电路、锁相放大电路和数据采集与显示电路；采用空间双光路差分检测法和除法运算电路实现了气体浓度的精确测量。该技术方案在实现气体浓度测量的基础上，消除了激光光强调制对测量结果的影响。中国专利授权公告号CN103645156A，授权公告日2016年3月2日，名称为“一种TDLAS气体检测方法及系统”的发明专利，提供了一种面向混合气体浓度的TDLAS气体检测方法及系统，主要特点为气室垂直放置，保证激光穿透混合气体各气体层。该技术方案可以实现单组分气体测量，也可以实现多组分混合气体测量，防止出现气体漏检的情况，减少混合气体检测的误差。

上述发明专利基于TDLAS技术提出了气体快速检测方案，适用于绝大多数种类气体的浓度快速测量。VHP产生的同时也伴随着分解，它不仅具有较强的氧化性和腐蚀性，而且在高浓度（1000-2000 ppm）情况下，湿度通常超过90%，对TDLAS各元件表面会造成冷凝和腐蚀，激光光强急剧下降，以至于无法有效探测，测量准确性和稳定性均无法保障。因此，常规TDLAS测量方案无法保证VHP的精确测量，必须对其结构进行创新性设计才能适应高湿度、氧化腐蚀等特殊恶劣环境。

技术实现要素：

本实用新型的目的是依据朗伯—比尔定律，基于TDLAS和波长调制技术检测VHP浓度。本实用新型针对特殊的检测对象VHP（氧化性、腐蚀性、高湿度），通过技术创新，改进了常规TDLAS测量方法，从根本上消除了氧化、腐蚀和高湿等多种环境因素对测量结果的影响，具有测量范围大、测量准确、稳定可靠、响应快等优点。

本实用新型的技术方案是：一种基于TDLAS的大量程气化H₂O₂浓度检测仪，它包括激光系统、光学腔镜、腔镜防冷凝系统、腔镜洁净系统和数据采集与处理系统，可实现0-2000ppm浓度的气化过氧化氢实时在线检测，消除了传统电化学传感器测量响应滞后、高浓度测量中毒失效等缺陷。激光系统输出已准直的周期性低频扫描的高频调制窄线宽激光，作为入射激光输入到光学腔镜内，光学腔镜为一对高反射镜构成的腔体，内部充满待测气体VHP，入射激光在内部往返反射多次从光学腔镜的输出小孔射出，出射激光（携带有VHP浓度信息）由数据采集与处理系统接收并分析处理，通过自修正浓度算法，避免由于光强下降导致错误浓度信号，实时计算并正确显示VHP浓度值。腔镜防冷凝系统和腔镜洁净系统用于防止镜片表面液体冷凝和维护镜片表面洁净，既保证了测量数据准确性和长期稳定性，又延长了使用寿命、降低了维护成本。

作为优选，所述的激光系统包含可调谐半导体激光器、温度控制模块、电流驱动模块和光准直模块；其中，可调谐半导体激光器具有输出线宽窄、功率稳定特点，温度控制模块可实现激光器的高精度、高稳定控制，电流驱动模块可实现激光器输出波长低频率扫描、高频率调制；光准直模块用于激光的准直输出。

作为优选，所述的光学腔镜为一对高反射曲面镜，一对高反射曲面镜焦距f相同，沿同一光轴相向分布，镜面中心距离D满足：f≤D≤2f；至少存在一个高反射曲面镜开有小孔，用于入射和出射激光。

作为优选，高反射曲面镜表面镀膜材料为金，金膜外层可选镀SiO₂薄膜，与气化H₂O₂保持良好的材料兼容性。

作为优选，所述的腔镜防冷凝系统包括保温层、加热器、恒温控制器。其主要作用在于提高高反射曲面镜的镜面温度，防止镜面在高湿度环境下出现冷凝现象。上述的恒温控制器包括温度传感器、温控电路。恒温控制器实时监测并显示镜面温度，通过反馈系统调节加热器电压、电流，从而实现镜面温度稳定控制，保持镜面温度高于待测环境温度，但低于60°C。

作为优选，加热器采用柔性加热材料、陶瓷加热材料或其他加热材料作为加热主体，该加热器经耐高温胶无缝连接在高反射曲面镜背面，所述的保温层覆盖于加热器外部。通过对加热器施加电压、电流可实现对镜面的加热升温。

作为优选，所述的腔镜洁净系统包含过滤干燥器、气泵、镜面洁净装置及洁净控制模块。其中，过滤干燥器、气泵用来提供具有一定压力的干燥清洁空气。

作为优选，镜面洁净装置与镜面外边缘密封连接，装置上均匀设置多个出气口，洁净干燥的气体从出气孔平稳流出，在镜片表面形成一层均匀的气帘层；镜面洁净装置设有进气端和出气端，进气端依次连接气泵、过滤器，出气端可收集多余的洁净气体并连接排气管输送至气体处理系统。

作为优选，所述的数据采集与处理系统包含光电探测器、数据采集卡、二次谐波处理模块及数据显示模块。

作为优选，所述的数据采集与处理系统：首先、建立自修正浓度反演公式，V_2f为二次谐波信号电压，V_D为无气体吸收位置处的光强信号电压实测值，C_H2O2为气化H₂O₂浓度值，该反演公式加入了光强电压信号，消除了气化H₂O₂高湿度环境下光强变化对浓度测量的影响；然后，在测量过程中，实时获得V_2f和V_D短时间内平均值；最后，利用测得的平均值与反演公式，线性插值，计算并显示气化H₂O₂浓度值。

作为优选，为：，k和b为实验校准常数，和分别为二次谐波和光强信号电压偏置，为无气体吸收位置处的光强信号电压初始值，即未出现光强衰减时的光强信号电压值。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：第一，通过结合TDLAS和波长调制技术，实现了VHP浓度的大量程、高精度、快速检测；第二，通过引入腔镜防冷凝系统和腔镜洁净系统，消除了在测量过程中镜片表面水汽冷凝现象，保持了镜片表面洁净，降低了冷凝或灰尘对光强的影响，为后续数据准确计算提供了必要保障；第三，采用与VHP兼容性良好的镀膜材料，即金和二氧化硅，降低了高浓度VHP对镜片的氧化腐蚀作用，延长了使用寿命；第四，使用具有自修正功能的浓度反演公式，结合V_2f和V_D平均值，提高了浓度检测的准确性。另外，相对于其他TDLAS方案，无需引入双光路差分系统或信号处理模块，具有结构简单、成本低等优点。

附图说明

附图1为本实用新型的整体结构示意图；

附图2为本实用新型的激光系统的结构示意图；

附图3为本实用新型的采集与处理系统的结构示意图；

附图4为本实用新型的光学腔镜的结构图；

附图5为本实用新型的腔镜防冷凝系统的结构图；

附图6为本实用新型的腔镜洁净系统的结构图；

图中：1-激光系统；2-光学腔镜；3-腔镜防冷凝系统；4-腔镜洁净系统；5-数据采集与处理系统；101-温度控制模块；102-可调谐半导体激光器；103-电流驱动模块；104-光准直模块；201-高反射曲面镜Ⅰ；202-高反射曲面镜Ⅱ；301-保温层；302-加热器；303-耐高温胶；304-温度传感器；305-恒温控制器；401-过滤干燥器；402-气泵；403-镜面洁净装置；404-洁净控制模块；405-气体处理系统；501-光电探测器；502-数据采集卡；503-二次谐波处理模块；504-数据显示模块。其中，附图4中高反射曲面镜开孔情况多样，可以两面高反射曲面镜同时开孔，可以开偏心孔，组合非常多，这里不一一列举，但至少存在一个高反射曲面镜开孔。附图5和附图6为高反射曲面镜Ⅰ防冷凝和洁净系统结构图，高反射曲面镜Ⅱ防冷凝和洁净系统结构图与附图5和6相同，但中间无小孔。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

如图1—6所示，一种基于TDLAS的大量程气化H₂O₂浓度检测仪，它包括激光系统1、光学腔镜2、腔镜防冷凝系统3、腔镜洁净系统4、数据采集与处理系统5，可实现0—2000ppm大量程VHP浓度的实时快速检测。

激光系统1包含温度控制模块101、可调谐半导体激光器102、电流驱动模块103和激光准直模块104，其中，温度控制模块101和电流驱动模块103均为ITC4001，可调谐半导体激光器102为1410nmDFB激光器，线宽＜3MHz、功率为10mW，激光以20Hz的三角波调制叠加4kHz的高频正弦波调制输出，输出激光经过激光准直模块104准直入射到光学腔镜2中。光学腔镜2为一对高反射曲面镜（Ⅰ，Ⅱ）沿同一光轴相向分布排列而成，采用金或者金+SiO₂进行镀膜，确保其与VHP具备良好的材料兼容性，避免发生氧化腐蚀等现象，一对高反射曲面镜的焦距f相同，镜面中心距离D满足：f≤D≤2f，且至少存在一个高反射曲面镜开有小孔，用于入射和出射激光，该实施例中，单独高反射曲面镜Ⅰ开有中心孔201a，用于入射和出射激光，f=10cm，D=18cm，整个光学腔镜2放置在充满VHP的环境中。入射激光在光学腔镜2内往返反射多次后由高反射曲面镜Ⅰ中心孔201a出射，出射激光被数据采集与处理系统5接收，其主要包含光电探测器501、数据采集卡502、二次谐波处理模块503及数据显示模块504，光强信号经探测、采集、分析后获得V_2f和V_D平均值，利用VHP浓度反演公式可获得并显示VHP浓度值。其中，k和b为实验校准常数，和分别为二次谐波和光强信号电压偏置，为无气体吸收位置处的光强信号电压初始值，即未出现光强衰减时的光强信号电压值。所使用的光电探测器501、数据采集卡502、二次谐波处理模块503分别为InGaAs探测器、 PCI6229、SRS830锁相放大器。腔镜防冷凝系统3包括保温层301、加热器302、恒温控制器305，恒温控制器305包括温度传感器304、温控电路，加热器302经耐高温胶303无缝连接在高反射曲面镜背面，保温层301覆盖于加热器302外部。在VHP测量过程中，通过温控电路调节加热器电压、电流，从而实现镜面温度稳定控制，保持镜面温度高于待测环境温度，但最好低于60°C，作用在于提高高反射曲面镜的镜面温度，防止镜面在高湿度环境下出现冷凝现象。加热器302采用柔性加热材料、陶瓷加热材料或其他加热材料作为加热主体，经耐高温胶303无缝连接在高反射曲面镜Ⅰ、Ⅱ背面，外部由保温层301覆盖，防止热量向外散去。腔镜洁净系统4包含过滤干燥器401，气泵402，镜面洁净装置403，洁净控制模块404和气体处理系统405。镜面洁净装置403为空芯圆环体，与镜面外边缘密封连接，装置上均匀设置多个出气口和进气口确保在镜片表面形成一层均匀的气帘层3a，镜面洁净装置设有进气端和出气端，进气端依次连接气泵402、过滤干燥器401，出气端可收集多余的洁净气体并连接排气管输送至气体处理系统405，所有模块由洁净控制模块404控制。在VHP测量过程中，腔镜洁净系统4提供一定压力的干燥清洁空气，在高反射曲面镜Ⅰ，Ⅱ表面形成一层薄薄的气流层，用来干燥清洁镜片表面。

上述具体实施方式用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。