一种有效光程及气体浓度测量标定装置及应用方法

本发明涉及一种有效光程及气体浓度测量标定装置及应用方法，属于气体检测。

背景技术：

1、传统的积分腔有效光程校准方法包括通过测量镜片透射率进行标定、利用不同气体瑞利散射差性异进行标定、采用腔衰荡光谱技术通过测量空腔内的衰荡时间进行标定、利用已知浓度的气体吸收信号进行标定等，都是对积分腔内部空间部分的吸收程长进行标定。而双向耦合探测模式oa-ceas中的凹面镜和滤光片具有再注入镜的功能，会造成积分腔外也会有较长的吸收光程。另外目前常用的利用定标公式或者免校准方式的浓度测量方法，均会随系统工作时长的增加或外界环境的变化(特别是对于腔体开放式系统)而变得不准确。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术的不足指出，提供一种有效光程及气体浓度测量标定装置及应用方法。基于双向腔增强，为了实现双向耦合探测模式oa-ceas中总光程的标定，使系统不受样品气体浓度和外界环境的影响，配气过程中的误差不会影响到有效吸收程长的标定。

2、本发明为了解决上述技术问题，提供一种有效光程及浓度测量标定装置，包括密封气体检测器，密封气体检测器左端设有双光束混合激光器，密封气体检测器的右端设有单光束激光器，密封气体检测器连接有信息分析系统；

3、其中密封气体检测器包括密封箱，密封箱两侧设有允许光信号通过的透明窗，密封箱内并排设有第一气体吸收池和第二气体吸收池，第一气体吸收池的左右两侧分别设有第一凹面镜和第二凹面镜，第一凹面镜和第二凹面镜的凹面与第一气体吸收池两侧呈夹角设置，并且第一凹面镜和第二凹面镜上分别设有允许光纤穿过的小孔，第一凹面镜和第二凹面镜的反射光路上分别设有第一滤光片和第二滤光片，第一滤光片和第二滤光片分别连接有第一光电探测器和第二光电探测器；第一光电探测器和第二光电探测器与信息分析系统连接；密封箱两侧透明窗处分别设有带有旋转盘的旋转镜，旋转镜配合反射镜将双光束混合激光器和单光束激光器的输入激光引入第二气体吸收池，第二气体吸收池两侧还分别设有第三光电探测器和第四光电探测器，引入第二气体吸收池的激光在第二气体吸收池内多次反射后离开第二气体吸收池后分别被第三光电探测器和第四光电探测器接收；

4、所述双光束混合激光器包括相互连接的第一激光控制器和第一量子级联激光器、第二激光控制器和第二量子级联激光器，第一量子级联激光器和第二量子级联激光器通过合束器连接有正对第一气体吸收池左端的准直器；

5、所述单光束激光器包括相互连接的第三激光控制器和第三量子级联激光器，第三量子级联激光器连接有正对第一气体吸收池右端的准直器；

6、双光束混合激光器和单光束激光器连接有函数信号发生器，函数信号发生器包括正弦波发生器和锯齿波发生器，正弦波发生器和锯齿波发生器的输出通过加法器分别与第一激光控制器、第二激光控制器和第三激光控制器连接。

7、进一步，信息分析系统包括相互连接的数据采集卡和计算机，其中第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器分别通过数据采集卡与计算机连接。

8、进一步，气体吸收池由两个高反镜组成的腔结构，密封箱上连接阀门以及气管，通过控制待测气体以及保护气体的量来控制第一气体吸收池的待测气体浓度以及整个第一气体吸收池中的气压大小；

9、第一气体吸收池左侧的光经准直器准直后透过第一凹面镜进入第一气体吸收池中，多次反射后从第一气体吸收池右侧透射出去，再经过第二凹面镜的反射进入右侧的第二光电探测器中，右侧的光与左侧相反，最终进入左侧的第一光电探测器中。

10、一种有效光程及浓度测量标定装置的方法，其步骤如下：

11、步骤a.将第一气体吸收池的积分腔包含的两片高反镜调至平行，并且调节离轴使光在积分腔中反射次数最多，以及信号信噪比最佳；

12、步骤b.把两侧光束准直器和探测器之间包括积分腔在内的部分，连同一光程lref已知的开放式多通吸收池作为第二气体吸收池放入一密封箱内，密封箱两侧都装有高透过率的平面镜；

13、步骤c.在密封箱内充入待检测气体，待测气体的浓度以确保多通池中能测到较好信噪比的信号为宜。

14、步骤d.调试激光器，是所有激光器的出射光束仅入射到第一气体吸收池的积分腔内，测量得到此时的积分腔输出信号，利用直接吸收光谱技术进行测量，并由此得到直接吸收信号后拟合出积分吸收面积aceas；

15、步骤e.调整反射镜，将光束入射到第二气体吸收池内，同样通过测量信号得到第二气体吸收池的积分吸收面积aref。

16、步骤f.两次测量均是在相同气体测量同一条谱线，因此两次测量时积分腔和多通池内的压力、温度、气体浓度均相同；积分吸收面积a＝pxs(t)l，由此通过两次测量的积分吸收面积之比可准确获得积分腔系统的有效吸收光程

17、步骤g.根据步骤f中精确测定的左侧进入腔内从右侧透射出的光束以及右侧进入腔内从左侧透射出的光束在积分腔内的有效吸收程长，根据浓度反演公式：a＝pxsl，其中x为浓度，a为积分吸收面积，p为压强，l为有效吸收光程，得到所测对应气体的实时浓度，将其和相邻周期由波长调制技术得到的气体浓度作为比较对照，实现对气体浓度反演的实时校正。

18、进一步，气体浓度测量如下：把部分周期的激光器控制信号由三角波和正弦波的叠加信号变为三角波信号，改波长调制为直接吸收探测方式，将采集到的直接吸收信号送入基于labview的浓度反演程序中，结合精确测定的各光束在第一气体吸收池(13)内的有效吸收程长，得到所测对应气体的实时浓度，将其和相邻周期由波长调制技术得到的浓度进行对比，实现对浓度反演的实时校正。

19、有益效果：本发明排除了气体池外因为凹面镜产生的激光再注入现象而存在的较长的积分腔外的吸收光程，这部分光程中没有待测气体，如果计算在内会影响有效吸收程长的标定准确性，同时也可以对多个气体的浓度进行标定反演。

技术特征：

1.一种有效光程及浓度测量标定装置，其特征在于：包括密封气体检测器，密封气体检测器左端设有双光束混合激光器，密封气体检测器的右端设有单光束激光器，密封气体检测器连接有信息分析系统；

2.根据权利要求1所述有效光程及浓度测量标定装置，其特征在于：信息分析系统包括相互连接的数据采集卡(23)和计算机(24)，其中第一光电探测器(15)、第二光电探测器(18)、第三光电探测器(20)和第四光电探测器(21)分别通过数据采集卡(23)与计算机(24)连接。

3.根据权利要求1所述有效光程及浓度测量标定装置，其特征在于：气体吸收池由两个高反镜组成的腔结构，密封箱(22)上连接阀门以及气管，通过控制待测气体以及保护气体的量来控制第一气体吸收池(13)的待测气体浓度以及整个第一气体吸收池(12)中的气压大小；第一气体吸收池(13)左侧的光经准直器(11)准直后透过第一凹面镜(12)进入第一气体吸收池(13)中，多次反射后从第一气体吸收池(13)右侧透射出去，再经过第二凹面镜(16)的反射进入右侧的第二光电探测器(18)中，右侧的光与左侧相反，最终进入左侧的第一光电探测器(15)中。

4.一种有效光程及浓度测量标定装置的应用方法，其特征在于步骤如下：

5.根据权利要求5所述的应用方法，其特征在于，气体浓度测量如下：把部分周期的激光器控制信号由三角波和正弦波的叠加信号变为三角波信号，改波长调制为直接吸收探测方式，将采集到的直接吸收信号送入基于labview的浓度反演程序中，结合精确测定的各光束在第一气体吸收池(13)内的有效吸收程长，得到所测对应气体的实时浓度，将其和相邻周期由波长调制技术得到的浓度进行对比，实现对浓度反演的实时校正。

技术总结
本发明公开了一种有效光程及气体浓度测量标定装置及应用方法，属于气体检测技术领域。其包括密封气体检测器，密封气体检测器左端设有双光束混合激光器，密封气体检测器的右端设有单光束激光器，密封气体检测器连接有信息分析系统；其中密封气体检测器中设有第一气体吸收池和第二气体吸收池，对比两个吸收池的积分吸收面积，从而获得积分腔系统的有效吸收光程，从事完成对气体浓度反演的实时校正。其步骤简单，使用方便，精度高。

技术研发人员：高光珍,蔡廷栋
受保护的技术使用者：江苏师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15