一种基于光腔衰荡光谱技术检测超高纯气体中痕量甲烷含量的系统的制作方法

本发明涉及测量领域，具体涉及一种基于光腔衰荡光谱技术检测超高纯气体中痕量甲烷含量的系统。

背景技术：

甲烷，化学式ch4，是最简单的烃，由一个碳和四个氢原子通过sp3杂化的方式组成，其结构呈正四面体结构，四个键的键长相同键角相等。在标准状态下甲烷是一无色无味气体。一些有机物在缺氧情况下分解时所产生的沼气其实就是甲烷。

甲烷在自然界的分布很广，甲烷是最简单的有机物，俗称瓦斯气，是含碳量最小(含氢量最大)的烃，也是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分。甲烷主要是作为燃料，如天然气和煤气，广泛应用于民用和工业中；作为化工原料，可以用来生产乙炔、氢气、合成氨、碳黑、硝氯基甲烷、二硫化碳、一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳和氢氰酸等。

高精度痕量气体检测广泛应用于各行各业，bruce等通过检测co浓度揭示星系形成，justin等通过检测co2的变化阐释植被发射率随季节等因素的变化规律，陈霄通过检测co、ch4等微量气体确定油浸式变压器的工作状态。近年来，学者们为提高痕量气体的检测精度在气体监测方式、平台及仪器性能等方面做出了大量的研究，wang等基于回编程逻辑控制器(plc)设计新型气体测量平台使得痕量气体检测不受温度及气压的影响，检测精度提高了三个数量级；joel等详细分析了中红外激光气体检测系统各个性能参数对气体精度的影响；ventrudo等通过实验得出基于gasb的分布反馈(dfb)光源温度高于或低于环境温度有利于提高痕量气体的检测精度，但现有关于如何处理经过气体吸收后光强信号以降低干扰因素对气体检测精度的影响方面的报道则较少。

然后现有的测量设备都比较复杂，其往往通过发射镜来改变光路，其容易受到干扰，精度不高，并且其设置方式使得设备体积大。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单，且测量精度高的基于光腔衰荡光谱技术检测超高纯气体中痕量甲烷含量的系统。

本发明提供了一种基于光腔衰荡光谱技术检测超高纯气体中痕量甲烷含量的系统，其包括依次在光轴上设置的dbf激光器，光学调制器，第一凸镜，小孔和第二凸镜；

还包括两个设置于第二凸镜后端的第一、二矩形棱镜，其中两个矩形棱镜在光轴方向上上下设置，dbf激光器的激光出射方向分别与两个目标光腔的对象探测方向平行，且两个矩形棱镜分别设置于dbf激光器的激光出射方向与两个目标光腔的对象的探测方向的反射曲线上，经过第二凸镜的激光束分别通过在第一、二矩形棱镜中的多次反射后，以出射光向两个目标光腔的对象的探测方向发射；

第一矩形棱镜的后端还依次设置有第一滤波片，第一光腔，第一探测装置，第二矩形棱镜的后端还依次设置有第二滤波片，第二光腔，第二探测装置，第一探测装置和第二探测装置分别连接数据采集处理器。

优选地，第一、二光腔的内底部的两侧，分别对应的设置有第一、二加热器，第一、二加热器分别连接控温器，控温器还连接数据采集处理器。

优选地，第一、二光腔的内底部分别设置有加热层，第一、二加热器设置于加热层内。

优选地，第一、二光腔的内顶部的一侧，分别对应设置有温度传感单元，温度传感单元分别连接测温器。

优选地，第一、二加热器具体为电热丝或者波尔贴。

本发明还提供了一种基于光腔衰荡光谱技术检测超高纯气体中痕量甲烷含量的系统的测量方法，依次包括如下步骤：

(1)在稳定的环境温度下，在第一、二光腔中分别冲入标定气体，控制dbf激光器发出特定波长的激光束，激光束进入光学调制器调制后，依次第一凸镜，小孔和第二凸镜；

(2)通过第二凸镜的激光束分别部分进入第一、二矩形棱镜后分为两路后经过第一、二滤波片后分别进入第一、二光腔；

(3)经过第一、二光腔衰荡后的光束通过第一、二探测装置探测后，发送至数据采集处理器，利用光学腔衰荡光谱技术进行测量；

(4)对比两路测量结果，如果差值在阈值范围内，则进入下一步骤，否则调整系统，使得两路测量结果的差值满足阈值范围，返回步骤(1)；

(5)开始测量，在两路第一、二光腔中分别冲入目标气体，分别控制第一、二光腔中对应的第一、二加热器开始加热，同时控制对应的温度传感单元按照一定的周期开始测量，当第一、二光腔的腔内温度稳定在预设温度范围内时，进入下一步骤；

(6)控制dbf激光器发出特定波长的激光束，激光束进入光学调制器调制后，依次第一凸镜，小孔和第二凸镜后，对应进入第一、二矩形棱镜后，分别通过第一、二滤波片后进入第一、二光腔，衰荡后的光束通过第一、二探测装置探测后，发送至数据采集处理器，利用光学腔衰荡光谱技术进行测量。

优选地，步骤(6)后还包括温度补偿验证步骤：保持在两路第一、二光腔中分别冲入的目标气体，分别控制第一、二光腔中对应的第一、二加热器开始加热，同时控制对应的温度传感单元按照一定的周期开始测量，使得第一、二光腔内的温度达到不同于预设温度范围内的另一温度范围；当第一、二光腔的腔内温度稳定在另一预设温度范围内时，返回步骤(6)，按照理论计算方式计算温度改变对于测量结果的影响关系，验证系统的精度是否满足要求。

本发明的基于光腔衰荡光谱技术检测超高纯气体中痕量甲烷含量的系统，可以实现：

1)结构紧凑，测量精度高；

2)加热时比较均衡，测量精度提高；

3)矩形棱镜替代反光镜，结构更加简单，且光路更加稳定，测量精度更高。

附图说明

图1为基于光腔衰荡光谱技术检测超高纯气体中痕量甲烷含量的系统结构示意图

图中：1-dbf激光器，2-光学调制器，3-第一凸镜，4-小孔，5-第二凸镜，6-第一矩形棱镜，7-第一滤波片，8-第一光腔，9-第二矩形棱镜，10-第二滤波片，11-第二光腔，12-温度传感器，13-加热器，14-测温器，15-控温器，16-第一探测装置，17-第二探测装置，18-数据采集处理器。

具体实施方式

下面详细说明本发明的具体实施，有必要在此指出的是，以下实施只是用于本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整，仍然属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种基于光腔衰荡光谱技术检测超高纯气体中痕量甲烷含量的系统，如附图1所示，其包括依次在光轴上设置的dbf激光器1，光学调制器2，第一凸镜3，小孔4和第二凸镜5，其中dbf激光器1发出特定波长的激光后，其发射的特定的波长可以根据测量需要进行选择和调节，其输出激光进入光学调制器2，光学调制器2对此激光进行调制，使其满足发射要求，同时当激光束强度达到一定的阈值时，则切断光束，使得光束无法再发射出。

经过光学调制器2调制后的激光束分别进入第一凸镜3，小孔4和第二凸镜5。经过光学调制器2调制后的激光束经过第一凸镜3进行汇聚后通过小孔4，其中小孔4的设置可有效的去除杂散光，减少噪声。经过小孔4后的光束经第二凸镜5后变为平行光。

一种基于光腔衰荡光谱技术检测超高纯气体中痕量甲烷含量的系统还包括两个设置于第二凸镜5后端的第一、二矩形棱镜6,9，其中两个矩形棱镜在光轴方向上上下设置。dbf激光器1的激光出射方向分别与两个目标光腔8,11的对象的探测方向平行，且两个矩形棱镜分别设置于dbf激光器1的激光出射方向与两个目标光腔8,11的对象的探测方向的反射曲线上，经过第二凸镜5的激光束分别通过在第一、二矩形棱镜6,9中的多次反射后，以出射光向两个目标光腔8,11的对象的探测方向发射。

第一矩形棱镜6的后端还依次设置有第一滤波片7，第一光腔8，第一探测装置16，同样的设置方式，第二矩形棱镜9的后端还依次设置有第二滤波片10，第二光腔11，第二探测装置17。第一探测装置16和第二探测装置17分别连接数据采集处理器18。

如附图1所示，在测试时，温度对于系统的影响较大，因此本发明对于目标光腔8,11设计了温控系统，温度的精确控制可以保证测量数据的准确。具体的，在第一、二光腔8,11的内底部的两侧，分别对应的设置有第一、二加热器13，例如电热丝或者波尔贴等实现，当目标光腔8,11的内部温度超过测量温度范围时，则可以通过控制加热器来实现温度的改变，从而满足测量温度的要求，最终保证了测量的精度，相比现有技术，测量精度更高。第一、二加热器13分别连接控温器15，控温器15还连接数据采集处理器18。为了保证加热的均匀和稳定，目标光腔8,11的内底部设置有加热层，第一、二加热器13设置于加热层内，这样加热时比较均衡，测量精度提高。

在目标光腔8,11的内顶部的一侧，分别对应设置有温度传感单元12，温度传感单元12分别连接测温器14，通过对应的温度传感单元12实时的分别测量目标光腔8,11内的温度，这样可以实时的掌握腔内温度，从而通过腔内温度控制来保证测量在稳定且符合测量标准的温度下进行。

本发明还提供了一种基于光腔衰荡光谱技术检测超高纯气体中痕量甲烷含量的系统的测量方法，具体的，在测量过程中，具体依次包括以下步骤：

(1)在稳定的环境温度下，在第一、二光腔8，11中分别冲入标定气体，控制dbf激光器1发出特定波长的激光束，激光束进入光学调制器2调制后，依次第一凸镜3，小孔4和第二凸镜5；

(2)通过第二凸镜5的激光束分别部分进入第一、二矩形棱镜6,9后分为两路后经过第一、二滤波片7后分别进入第一、二光腔8，11；

(3)经过第一、二光腔8，11衰荡后的光束通过第一、二探测装置16探测后，发送至数据采集处理器18，利用光学腔衰荡光谱技术进行测量；

(4)对比两路测量结果，如果差值在阈值范围内，则进入下一步骤，否则调整系统，使得两路测量结果的差值满足阈值范围，返回步骤(1)；

(5)开始测量，在两路第一、二光腔8，11中分别冲入目标气体，分别控制第一、二光腔8，11中对应的第一、二加热器13开始加热，同时控制对应的温度传感单元12按照一定的周期开始测量，当第一、二光腔8，11的腔内温度稳定在预设温度范围内时，进入下一步骤；

(6)控制dbf激光器1发出特定波长的激光束，激光束进入光学调制器2调制后，依次第一凸镜3，小孔4和第二凸镜5后，对应进入第一、二矩形棱镜6,9后，分别通过第一、二滤波片后进入第一、二光腔8，11，衰荡后的光束通过第一、二探测装置16，17探测后，发送至数据采集处理器18，利用光学腔衰荡光谱技术进行测量。

此外，步骤(6)后还包括温度补偿验证步骤，保持在两路第一、二光腔8，11中分别冲入的目标气体，分别控制第一、二光腔8，11中对应的第一、二加热器13开始加热，同时控制对应的温度传感单元12按照一定的周期开始测量，使得第一、二光腔8，11内的温度达到不同于预设温度范围内的另一温度范围；当第一、二光腔8，11的腔内温度稳定在另一预设温度范围内时，返回步骤(6)，按照理论计算方式计算温度改变对于测量结果的影响关系，验证系统的精度是否满足要求。

尽管为了说明的目的，已描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不脱离所附权利要求中公开的发明的范围和精神的情况下，可以在形式和细节上进行各种修改、添加和替换等的改变，而所有这些改变都应属于本发明所附权利要求的保护范围，并且本发明要求保护的产品各个部门和方法中的各个步骤，可以以任意组合的形式组合在一起。因此，对本发明中所公开的实施方式的描述并非为了限制本发明的范围，而是用于描述本发明。相应地，本发明的范围不受以上实施方式的限制，而是由权利要求或其等同物进行限定。