多种痕量气体浓度测量装置、方法

本发明属于气体检测，特别是一种多种痕量气体浓度测量装置、以及多种痕量气体浓度测量方法。

背景技术：

1、随着环保及气体测量技术的发展，很多领域对气体测量仪器的要求越来越高，特别是在痕量气体检测方面，需要更高的检测精度。在对石油化工生产过程以及工农业生产过程中产生的二氧化碳、氨气、一氧化碳、甲烷和氯化氢等有毒有害气体的控制，实时高精度监测都有迫切的应用需求。如何对空间环境中多种成分气体进行在线传感监测愈发成为气象环境、工业控制领域的重要问题。

2、目前市场上针对多组分气体检测存在的电化学测量方法存在检测精度较低，响应时间较慢等缺点。有鉴于此，有必要对现有的检测方式予以改进，以解决上述问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种多种痕量气体浓度测量装置、一种多种痕量气体浓度测量方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

2、本公开的一方面提供一种多种痕量气体浓度测量装置，包括：激光模块，适用于输出测量光束，所述测量光束的波长范围包括多种待测气体的多个吸收峰，并在多个吸收峰位置上分别叠加不同频率的第一调制信号；气室，适用于容纳多种痕量所述待测气体；转换单元，适用于将从所述气室中射出的所述测量光束转换为电信号，所述电信号叠加有所述不同频率的第一调制信号；以及处理模块，包括：锁相处理电路，被配置成对所述电信号进行相敏检波及窄带滤波，以获得多个待测气体中的多个目标吸收峰对应的波长处由于吸收产生的多个不同频率的谐波信号；除法电路，被配置成采用所述谐波信号中的一次谐波信号对二次谐波信号进行归一化；以及计算电路，被配置成根据经归一化的二次谐波信号与待测气体浓度的函数关系进行数值拟合，得到各个待测气体的浓度信息。

3、根据本公开的实施例，所述激光模块包括：多个激光器，每个激光器适用于发射波长范围包括所述待测气体的中的一种待测气体的吸收峰的初始光束；调制单元，适用于基于多个频率相同的第二调制信号调制多个所述激光器以锁定多个所述吸收峰，并基于多个所述锁定后的吸收峰对多个所述激光器分别叠加不同频率的第一调制信号；以及耦合单元，适用于将来自于多个所述激光器的多个初始光束耦合成测量光束。

4、根据本公开的实施例，所述激光模块还包括：温度控制单元，适用于调节所述激光器内部的温度以控制多个所述激光器发射的初始光束的波长范围。

5、根据本公开的实施例，所述第一调制信号包括高频正弦调制信号，所述第二调制信号包括低频锯齿波信号，其中，所述高频正弦调制信号的频率范围为5khz～20khz，所述低频锯齿波信号的频率范围为1hz～100hz。

6、根据本公开的实施例，所述气室内形成长光程气体吸收池腔体，所述气室两端分别设有光束入口和光束出口，所述光束入口和所述光束出口分别安置氟化钡楔形光窗。

7、根据本公开的实施例，所述测量光束以与所述光束入口在x轴、y轴、z轴所成夹角相同的角度射入所述气室；优选地，穿过所述气室的所述测量光束以与所述光束出口在x轴、y轴、z轴所成夹角相同的角度出射。

8、根据本公开的实施例，所述转换单元包括光电探测器，所述光电探测器包括基于铟镓砷的平面光电探测器。

9、本公开的另一方面还提供一种多种痕量气体浓度测量方法，包括：产生测量光束，所述测量光束的波长范围包括多种待测气体的多个吸收峰，并在多个吸收峰位置上分别叠加不同频率的第一调制信号；向容纳多种所述待测气体的气室中射入测量光束；将从所述气室中射出的测量光束转换为电信号，所述电信号叠加有所述不同频率的第一调制信号；对所述电信号进行相敏检波及窄带滤波，以获得多个待测气体中的多个目标吸收峰对应的波长处由于吸收产生的多个不同频率的谐波信号；采用所述谐波信号中的一次谐波信号对二次谐波信号进行归一化；以及根据经归一化的二次谐波信号与待测气体浓度的函数关系进行数值拟合，得到各个待测气体的浓度信息。

10、根据本公开的实施例，产生测量光束的步骤包括：利用多个激光器分别产生多个初始光束，每个初始光束的波长范围包括所述待测气体的中的一种待测气体的吸收峰；基于多个频率相同的第二调制信号调制多个所述激光器以锁定多个所述吸收峰，并基于多个所述锁定后的吸收峰对多个所述激光器分别叠加不同频率的第一调制信号；以及将来自于多个所述激光器的多个初始光束耦合成测量光束。

11、根据本公开的实施例，利用噪声等效待测气体浓度作为修正因子，对测得的待测气体的浓度信息进行修正。

12、根据本公开上述实施例的多种痕量气体浓度测量装置，由于激光模块是在多个吸收峰位置上分别叠加不同频率的第一调制信号，因此降低了单个调制的调制频率范围，加快了响应时间；进一步地，除法电路采用谐波信号中的一次谐波信号对二次谐波信号进行归一化，消除激光器功率抖动和光路中传输损耗的影响，提高了检测精度高。

技术特征：

1.一种多种痕量气体浓度测量装置，包括：

2.根据权利要求1所述的多种痕量气体浓度测量装置，其中，所述激光模块包括：

3.根据权利要求2所述的多种痕量气体浓度测量装置，其中，所述激光模块还包括：温度控制单元，适用于调节所述激光器内部的温度以控制多个所述激光器发射的初始光束的波长范围。

4.根据权利要求2所述的多种痕量气体浓度测量装置，其中，所述第一调制信号包括高频正弦调制信号，所述第二调制信号包括低频锯齿波信号，其中，所述高频正弦调制信号的频率范围为5khz～20khz，所述低频锯齿波信号的频率范围为1hz～100hz。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的多种痕量气体浓度测量装置，其中，所述气室内形成长光程气体吸收池腔体，所述气室两端分别设有光束入口和光束出口，所述光束入口和所述光束出口分别安置氟化钡楔形光窗。

6.根据权利要求5所述的多种痕量气体浓度测量装置，其中，所述测量光束以与所述光束入口在x轴、y轴、z轴所成夹角相同的角度射入所述气室；

7.根据权利要求1-4中的任一项所述的多种痕量气体浓度测量装置，其中，所述转换单元包括光电探测器，所述光电探测器包括基于铟镓砷的平面光电探测器。

8.一种多种痕量气体浓度测量方法，包括：

9.根据权利要求8所述的多种痕量气体浓度测量方法，其中，产生测量光束的步骤包括：

10.根据权利要求8所述的多种痕量气体浓度测量方法，其中，利用噪声等效待测气体浓度作为修正因子，对测得的待测气体的浓度信息进行修正。

技术总结
一种多种痕量气体浓度测量装置，包括：激光模块，适用于输出测量光束，测量光束的波长范围包括多种待测气体的多个吸收峰，并在多个吸收峰位置上分别叠加不同频率的第一调制信号；气室；转换单元，适用于将从气室中射出的测量光束转换为电信号，电信号叠加有不同频率的第一调制信号；处理模块，包括锁相处理电路，被配置成对电信号进行相敏检波及窄带滤波，以获得多个待测气体中的多个目标吸收峰对应的波长处由于吸收产生的多个不同频率的谐波信号；除法电路，被配置成采用谐波信号中的一次谐波信号对二次谐波信号进行归一化；计算电路，被配置成根据经归一化的二次谐波信号与待测气体浓度的函数关系进行数值拟合，得到各个待测气体的浓度信息。

技术研发人员：姚家琪,谢亮,龚萍,袁文洋
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15