一种多次反射与加压方式的气体拉曼信号增强装置及方法与流程

1.本发明涉及一种多次反射与加压方式的气体拉曼信号增强装置及方法，属于激光拉曼气体分析检测技术领域。


背景技术：

2.现有激光拉曼气体增强技术，主要有以下几种方式：一是增大激光功率，由于拉曼信号强度与激光功率呈线性正相关，因此，增大激光功率可以直接增强拉曼信号，但是，目前受到光学材料、工程应用等各种因素制约，激光功率也受到一定的限制。二是采用多次反射的方式，使得激光光线与气体多次接触，或将激光光线在局部进行线性叠加，进而在局部增大拉曼散射信号强度。三是采用表面增强的技术，采用特殊材料对待测样品进行局部富集，实现拉曼散射信号的增强。四是采用加大气压的方式，将待测气体样品连续充入密闭腔室，密闭腔室内部压力增大，待测气体样品数量增多，从而增大待测样品的拉曼散射信号强度。
3.激光拉曼气体检测技术具有很强的技术优势，是未来气体检测领域非常有前景的一种检测方式。但是，目前激光拉曼气体检测技术存在拉曼散射信号强度太小的问题，在很多行业领域的应用受到很大的限制。因此，增大气体激光拉曼信号强度就成为该技术领域的核心问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出一种多次反射与加压方式的气体拉曼信号增强装置，该装置采用多次反射与加压两种方式合二为一，可以大大增大气体激光拉曼信号强度，在增大10个大气压情况下，可提升气体拉曼信号强度40倍以上，对二氧化碳的检测限可以达到10ppm左右，已经可以满足石油录井、能源等很多行业领域的标准要求。其目的是为激光拉曼气体检测领域提供一种较高的增强拉曼信号的方法，并且具有很强的实用性。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种多次反射与加压方式的气体拉曼信号增强装置，该气体拉曼信号增强装置包括加压泵、第一电磁阀、进气管路、气室、拉曼信号收集装置、控制装置、第一反射镜、第二反射镜、压力传感器、第二电磁阀、出气管路；
7.所述的加压泵用于将待测试的气体通过进气管路打入气室中，通过加压泵将气室内压力维持在1mpa；
8.所述的加压泵与气室之间的进气管路上有第一电磁阀，通过第一电磁阀控制进气管路的开关；
9.所述的气室为密闭结构，气室内用于存储待测试的气体，气室上加装有通光窗口片，通过气室上加装的通光窗口片将多次反射激光导入气室内部，进行待测试的气体与激光的相互作用，产生拉曼散射信号；
10.拉曼信号收集装置用于收集待测试气体的拉曼散射信号；
11.第一反射镜安装在气室的一侧，第二反射镜安装在气室的另一侧，第一反射镜和第二反射镜用于实现对激光的多次反射；
12.气室内的待测试气体通过出气管路上排出，出气管路上安装有压力传感器和第二电磁阀；
13.压力传感器用于采集气室内部压力数据；
14.第二电磁阀用于控制出气管路的开关；
15.所述的控制装置用于控制压力传感器的信号采集，还用于控制加压泵、第一电磁阀、第二电磁阀的开关。
16.一种多次反射与加压方式的气体拉曼信号增强方法，该方法的步骤包括：
17.第一步，通过加压泵将待测试的气体通过进气管路加入到气室中；
18.第二步，通过控制装置调节第二电磁阀关闭，通过控制装置采集压力传感器的数据，如果压力传感器返回的数据达到1mpa，通过控制装置关闭第一电磁阀，关闭加压泵；
19.第三步，激光通过第一反射镜和第二反射镜的多次反射后通过气室上的通光窗口片照射到气室内，激光与气室内的待测试气体进行相互作用，产生拉曼散射信号；
20.第四步，所产生的拉曼散射信号通过拉曼散射信号收集装置进行收集；
21.第五步，收集完成后，控制装置控制第二电磁阀打开，将气体排出。
22.第六步，如果不停止工作，返回第一步。
23.有益效果
24.本发明通过采用多次反射与加压的方式，实现对待测试样气的高精度检测，在气室内部压力为1mpa情况下，拉曼信号强度可以增强40倍以上，二氧化碳检测限可以达到10ppm。已经可以满足很多行业的标准要求。
附图说明
25.图1为本发明的多次反射与加压气体拉曼结构示意图；
26.图2为本发明的方法流程示意图；
27.图3为待测试的6种样气(氢气、二氧化碳、氧气、一氧化碳、氮气、硫化氢)浓度10ppm，10个大气压条件下的测试拉曼谱图；
28.图4为气室三维结构示意图。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
30.如图1所示，一种多次反射与加压方式的气体拉曼信号增强装置，该气体拉曼信号增强装置包括加压泵1、第一电磁阀2、进气管路3、气室4、拉曼信号收集装置5、控制装置6、第一反射镜7、第二反射镜8、压力传感器9、第二电磁阀10、出气管路11；
31.所述的加压泵1用于将待测试的气体通过进气管路3打入气室4中，通过加压泵1将气室4内压力维持在1mpa；
32.所述的加压泵1与气室4之间的进气管路3上有第一电磁阀2，通过第一电磁阀2控制进气管路3的开关；
33.如图4所示，所述的气室4为密闭结构，气室4内用于存储待测试的气体，气室4上加装有通光窗口片，通过气室4上加装的通光窗口片将多次反射激光导入气室4内部，进行待测试的气体与激光的相互作用，产生拉曼散射信号；
34.拉曼信号收集装置5用于收集待测试气体的拉曼散射信号；
35.第一反射镜7安装在气室4的一侧，第二反射镜8安装在气室4的另一侧，第一反射镜7和第二反射镜8用于实现对激光的多次反射；
36.气室4内的待测试气体通过出气管路11上排出，出气管路11上安装有压力传感器9和第二电磁阀10；
37.压力传感器9用于采集气室4内部压力数据；
38.第二电磁阀10用于控制出气管路11的开关；
39.所述的控制装置6用于控制压力传感器9的信号采集，还用于控制加压泵1、第一电磁阀2、第二电磁阀10的开关。
40.如图2所示，一种多次反射与加压方式的气体拉曼信号增强方法，该方法的步骤包括：
41.第一步，通过加压泵1将待测试的气体通过进气管路3加入到气室4中；
42.第二步，通过控制装置6调节第二电磁阀10关闭，通过控制装置6采集压力传感器9的数据，如果压力传感器9返回的数据达到1mpa，通过控制装置6关闭第一电磁阀2，关闭加压泵1；
43.第三步，激光通过第一反射镜7和第二反射镜8的多次反射后通过气室4上的通光窗口片照射到气室4内，激光与气室4内的待测试气体进行相互作用，产生拉曼散射信号；
44.第四步，所产生的拉曼散射信号通过拉曼散射信号收集装置5进行收集；
45.第五步，收集完成后，控制装置6控制第二电磁阀10打开，将气体排出。
46.第六步，如果不停止工作，返回第一步。
47.实施例
48.一种多次反射与加压方式的气体拉曼信号增强方法，该方法的步骤包括：
49.首先将激光引进第一反射镜7和第二反射镜8中实现多次反射。控制装置控制第二电磁阀10关闭，实现气室出气管路11关闭，控制第一电磁阀2打开，启动加压泵1，将样气压入气室4中。控制装置6采集压力传感器信号，待达到设定压力值后，关闭第一电磁阀2，关闭加压泵，使得气室内部压力达到设定值。启动拉曼信号收集装置，采集样气拉曼信号，待信号采集完成，控制装置控制第二电磁阀10打开，将气室4内样气排出。如果不停止工作，循环往复进行，待测试气体的拉曼谱图如图3所示，图3中待测试的6种样气(氢气、二氧化碳、氧气、一氧化碳、氮气、硫化氢)浓度10ppm，10个大气压条件下的测试拉曼谱图；
50.第一反射镜7和第二反射镜8均采用凹面反射镜，镜片直径1英寸(25.4mm)，焦距25mm。第一反射镜7和第二反射镜8间距100mm。可以实现30次以上的反射，实现30倍以上的放大。
51.气室三维结构图如图4所示。在气室的前后左右四个面上开直径为18mm的圆孔，安装直径为25.4mm的玻璃窗口片。玻璃窗口片采用双面镀膜工艺，增大激光与拉曼散射信号的透过率。
52.控制装置采用一块电路板实现。电路板上采用一片stm32单片机实现逻辑控制。采
用串口实现与压力传感器的数据通信，采用io口实现对电磁阀、加压泵的控制。