一种多程气体吸收池有效程长与气体浓度同时测量方法与流程

本发明涉及吸收光谱检测技术领域，具体涉及一种多程气体吸收池有效程长与气体浓度同时测量方法。

背景技术：

吸收光谱技术广泛的应用于污染气体检测、工业排放气体监测、医疗诊断、国防安全等领域。光谱技术具有检测灵敏度高的优点，最低检测限可达到ppb-ppt量级，可以实现工业过程气、口腔样气以及环境污染气中的痕量气体成分检测。由于每一种分子都有其特有的“指纹”特征，对光的吸收具有强选择性，而且响应时间快，可以实现大范围现场实时监测。吸收光谱检测灵敏度与有效吸收程长成正比关系，通过增加有效吸收程长可以提高探测灵敏度。利用多通反射吸收池，可以有效的增加吸收路径长度。多通吸收池是利用光在气体池内多次来回反射的原理，增加有效吸收程长，通常可以将吸收路径长度增加几百倍。每一次反射，光线通过不同的光路穿过气体池。

应用吸收光谱技术开展大气衡量气体探测时，需要对仪器进行吸收程长定标。常用的标定方式是利用浓度已知的标准气体和吸收光谱，反演出气体吸收程长。使用该方法标定出的气体池有效吸收程长若出现较大误差是合理的，因为很难获得浓度准确的标准气体，另外有些气体本身属于粘性气体，即使给池的内壁镀上特氟龙材料也可能会在内壁或进气口处出现损耗，使得腔内标准气体浓度和配置浓度存在偏差，导致标定结果不准确。

技术实现要素：

针对现有技术不足，本发明提供一种多程气体吸收池有效程长与气体浓度同时测量方法，可以同时测量不同压强下气体吸收池的有效程长和气体池内的气体浓度，无需在测量前对气体吸收池有效程长做校准，避免了样气浓度误差对测量结果的影响，准确度高，同时本发明系统结构简单，易于搭建调节，操作方便。

为实现以上目的，本发明的技术方案通过以下技术方案予以实现：

一种多程气体吸收池有效程长与气体浓度同时测量方法，包括以下步骤：

第一步：将激光入射到装有高反射率腔镜的气体吸收池内，从气体吸收池透射出来的激光聚集到红外探测器上，红外探测器将光信号转化成电信号，由数据采集卡记录并输入到数据处理系统中进行处理及存储，得到输出信号；

第二步：调谐激光的波长，得到不同频率的激光，数据采集卡记录各频率ν下的入射光强，计算得到各频率ν下的出射光强i(ν)＝i0(ν)exp[-α(ν)l]，其中l是光学吸收长度，α(ν)是吸收系数，吸收系数α(ν)和积分吸收截面s(t)还有吸收截面σ(ν)和浓度n的关系为：

其中是归一化的分子吸收谱线线型，满足：

它与吸收气体的浓度n和压强p相关，积分吸收截面s(t)的值通过hitran红外光谱数据库获得；

第三步：入射光强和出射光强通过红外探测器或者光谱仪测得，通过压强控制系统控制气体吸收池内的压强，在这过程中，吸收气体的浓度n保持不变，得到如下一系列方程组：

第四步：为了准确提取出探测信号中包含的吸收程长l和气体浓度n的信息，利用多元非线性回归算法，构造目标函数：

当目标函数u取最小值时，此时的n和l为方程组的最优解，即可得到有效程长l和气体浓度n的值。

优选的，第一步中激光由高光束质量的宽调谐窄线宽量子级联激光器射出，激光为可调谐的tem00模，其频率调谐范围可覆盖待测气体一个完整的吸收峰，且其线宽不影响吸收谱线线宽测量。

优选的，第一步中气体吸收池由两块曲率半径相同的、凹面镀高反射膜的平凹高反射镜构成。

优选的，第一步中向气体吸收池内充入待测气体，待测气体经过滤器过滤后进入气体吸收池内，利用压强控制系统控制气体吸收池的压强稳定，压强控制系统包括流量控制器、压力控制装置和真空泵。

优选的，第一步中激光经准直镜准直后进入气体吸收池内，再经聚焦透镜聚集到红外探测器上。

优选的，第二步中通过量子级联激光器的波长控制器来调谐激光的输出波长，并且保持光路输出信号幅值稳定，得到不同频率的激光。

优选的，第二步中根据测得数据绘制出气体吸收系数α(ν)与ν的气体吸收光谱曲线，并对该曲线进行拟合处理。

优选的，第三步中根据测得数据得到不同压强下的气体吸收光谱。

本发明提供一种多程气体吸收池有效程长与气体浓度同时测量方法，与现有技术相比优点在于：

(1)本发明利用吸收谱线气体的线型与压强的关系，可以同时测量不同压强下气体吸收池的有效程长和气体池内的气体浓度，无需在进行气体浓度测量前利用已知浓度的标准气体对气体吸收池有效程长做校准，避免了样气浓度误差对测量结果的影响，准确度高；

(2)本发明系统结构简单，易于搭建调节，操作方便，给研究人员带来了极大的便利。

附图说明

图1为本发明测量装置系统图；

图2为本发明实施例中不同压强下的气体吸收光谱图。

图中：1过滤器、2数据处理系统、3波长控制器、4流量控制器、5数据采集卡、6激光、7准直镜、8气体吸收池、9聚焦透镜、10红外探测器、11压力控制器、12真空泵。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

一种多程气体吸收池有效程长与气体浓度同时测量方法，包括以下步骤：

第一步：将激光6入射到装有高反射率腔镜的气体吸收池8内，从气体吸收池8透射出来的激光6聚集到红外探测器10上，红外探测器10将光信号转化成电信号，由数据采集卡5记录并输入到数据处理系统2中进行处理及存储，得到输出信号；

第二步：调谐激光6的波长，得到不同频率的激光6，数据采集卡5记录各频率ν下的入射光强，计算得到各频率ν下的出射光强i(ν)＝i0(ν)exp[-α(ν)l]，其中l是光学吸收长度，α(ν)是吸收系数，吸收系数α(ν)和积分吸收截面s(t)还有吸收截面σ(ν)和浓度n的关系为：

其中是归一化的分子吸收谱线线型，满足：

它与吸收气体的浓度n和压强p相关，积分吸收截面s(t)的值通过hitran红外光谱数据库获得；

第三步：入射光强和出射光强通过红外探测器10或者光谱仪测得，通过压强控制系统控制气体吸收池8内的压强，在这过程中，吸收气体的浓度n保持不变，得到如下一系列方程组：

第四步：为了准确提取出探测信号中包含的吸收程长l和气体浓度n的信息，利用多元非线性回归算法，构造目标函数：

当目标函数u取最小值时，此时的n和l为方程组的最优解，即可得到有效程长l和气体浓度n的值。

其中，第一步中激光6由高光束质量的宽调谐窄线宽量子级联激光器射出，激光6为可调谐的tem00模，其频率调谐范围可覆盖待测气体一个完整的吸收峰，且其线宽不影响吸收谱线线宽测量；第一步中气体吸收池8由两块曲率半径相同的、凹面镀高反射膜的平凹高反射镜构成；第一步中向气体吸收池8内充入待测气体，待测气体经过滤器1过滤后进入气体吸收池8内，利用压强控制系统控制气体吸收池8的压强稳定，压强控制系统包括流量控制器4、压力控制装置11和真空泵12；第一步中激光6经准直镜7准直后进入气体吸收池8内，再经聚焦透镜9聚集到红外探测器10上；第二步中通过量子级联激光器的波长控制器3来调谐激光6的输出波长，并且保持光路输出信号幅值稳定，得到不同频率的激光；第二步中根据测得数据绘制出气体吸收系数α(ν)与ν的气体吸收光谱曲线，并对该曲线进行拟合处理；第三步中根据测得数据得到不同压强下的气体吸收光谱。

如图2所示为气体吸收池8内充入n2o标准气时，根据测得数据所拟合的气体吸收光谱，标准气的主要成分由n2和n2o组成，改变激光6的波长，即激光6的频率v在2188.6-2189.0cm^-1的范围内，不同压强p下的气体对激光6主要有三个吸收峰，由图可知激光6的频率v在2188.68cm^-1、2188.76cm^-1和2188.93cm^-1的附近时，气体对激光6的吸收强度较大，即气体吸收系数α(ν)较大，且气体压强p越大时，吸收峰的线宽越宽。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。