到第二探测器（14); 所述第二探测器（14)将接收到的激光信号通过数据采集单元（10)转化为电信号并传 输给计算机（11); 所述计算机（11)对电信号进行分析处理得出室温连续模式中红外量子级联激光器 (4)的中心频率漂移信息并将其反馈给电流控制单元（3); 所述电流控制单元（3)根据接收到的中心频率漂移信息，进行电流补偿，稳定室温连 续模式中红外量子级联激光器（4)的中心频率。3. 根据权利要求1所述的基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置，其 特征在于：还包括分束器（12)、标准具和第二探测器（14); 所述分束器（12)设在聚焦准直三维调节系统（5)和第一反射镜（6)之间，用于将聚焦 准直三维调节系统（5)聚焦准直后的激光信号分束，一部分激光信号经分束器（12)反射进 入标准具，另一部分激光信号经分束器（12)透射到第一反射镜（6); 所述进入标准具的激光信号在标准具内产生干涉后出射到第二探测器（14); 所述第二探测器（14)将接收到的激光信号通过数据采集单元（10)转化为电信号并传 输给计算机（11); 所述计算机（11)对接收到的电信号进行分析处理得出室温连续模式中红外量子级联 激光器（4)的相对波长调谐范围。4. 根据权利要求1所述的基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置， 其特征在于：还包括指示光源（15)、第二反射镜（16)和半反半透镜（17)，所述半反半透镜 (17)设在聚焦准直三维调节系统（5)和第一反射镜（6)之间，所述指示光源（15)产生可见 光信号，所述第二反射镜（16)将可见光信号反射到半反半透镜（17)，所述半反半透镜（17) 再次将可见光信号反射并使其与经半反半透镜（17)透射过来的室温连续模式中红外量子 级联激光器（4)发出的激光信号同轴。5. 根据权利要求1、2、3或4所述的基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测 装置，其特征在于：所述聚焦准直三维调节系统（5)由两个平面反射镜和一个离轴抛物面 镜组成，两个反射镜成45度放置，整体三维可调。6. 根据权利要求1、2、3或4所述的基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测 装置，其特征在于：所述样品吸收池（7)为有效光程可调的基于两个凹面镜的HERRIOTT型 多次反射吸收池。7. 根据权利要求1、2、3或4所述的基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测 装置，其特征在于：所述任意波函数发生器（1)输出的周期性信号为低频周期性三角波或 锯齿波，周期性信号只在任意半周期内叠加的调制信号为高频正弦波。8. 基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测方法，其步骤包括： A. 依据待测气体分子吸收频率位置先通过温度控制单元（2)和电流控制单元（3)分别 设定室温连续模式中红外量子级联激光器（4)的工作温度和偏置电流； B. 任意波函数发生器（1)输出只在任意半周期内叠加调制信号的周期性信号作为室 温连续模式中红外量子级联激光器（4)的电流驱动信号； C. 电流驱动信号通过电流控制单元（3)对室温连续模式中红外量子级联激光器（4)的 注入电流进行驱动； D. 室温连续模式中红外量子级联激光器（4)输出激光信号并入射到聚焦准直三维调 节系统（5); E. 聚焦准直三维调节系统（5)将激光信号聚焦准直成近似平行光出射到第一反射镜 (6)； F. 第一反射镜（6)将激光信号耦合进样品吸收池（7); G. 激光信号在样品吸收池（7)内多次反射后从样品吸收池（7)出射到离轴抛物面镜 (8)； H. 离轴抛物面镜⑶将激光信号聚集到第一探测器（9); I. 第一探测器（9)将接收到的激光信号传输给数据采集单元（10); J. 数据采集单元（10)将激光信号转化为电信号传输给计算机（11); K. 计算机（11)对接收到的电信号中不带调制信号的激光信号进行直接吸收光谱分 析，对带有调制信号的激光信号进行波长调制光谱分析，利用高信噪比的直接吸收光谱反 演出气体浓度信息，为波长调制光谱分析气体浓度信息过程提供校正，校正后即可通过波 长调制光谱更精确地反演出待测样品浓度信息，两种光谱方法取长补短，实现高灵敏和高 精度气体检测分析，其中 (a)直接吸收光谱分析原理如下： 直接吸收光谱分析反演气体浓度过程基于朗伯-比尔定律和最小二乘法拟合算法，式（1)中，s (T)为温度T (单位：K)时分子吸收线强S (单位：cm Vmolucule)，L为有效 吸收光程，N(T，P)为温度T和P(单位：atm)条件下总分子数密度，I (v)为样品吸收池（7) 透射光强，即第一探测器（9)输出信号；1。(0为样品吸收池（7)入射光强，通过对I(v)中 无吸收部分进行高阶多项式拟合获得。最小二乘法拟合过程中线型模型的选择取决于样品 吸收池（7)压力条件，模型函数有Guass函数（小于lOmbar)、Lorentz函数（大于lOOmbar) 和Voigt函数（介于10-100mbar之间）。 (b)波长调制光谱分析原理如下： 波长调制光谱分析中二次谐波探测信号I2f与样品浓度C成正比例关系： 12产 I 0 a CL 式（2) 式（2)中，I。为初始光强，α为分子吸收吸收（单位：cm 4，L为有效总光程（单位： cm).利用多元线性回归分析算法对未知浓度的样品信息进行反演，公式为：式（3)中％未知浓度样品的二次谐波采样信号矩阵，为已知浓度 样品的二次谐波采样信号矩阵，X为采样通道数，kp k2, k3为多元线性回归系数，系数k 1乘 以已知样品的浓度即为未知样品的浓度值：式⑷中，X为不同分子种类。9. 根据权利要求8所述的基于两种量子级联激光光谱多组分气体同时检测方法，其步 骤还包括： A. 激光信号经过聚焦准直三维调节系统（5)聚焦准直后先入射到分束器（12); B. -部分激光信号被分束器（12)反射到标准具或者充有纯的待测气体参考吸收池 (13)，另一部分激光信号经分束器（12)透射到第一反射镜（6); C. 入射到标准具或者参考吸收池（13)的激光信号再出射到第二探测器（14); D. 第二探测器（14)将接收到的激光信号传输给数据采集单元（10); E. 数据采集单元（10)将第二探测器（14)传输过来的激光信号转化为电信号并传输给 计算机（11); F. 计算机（11)对接收到的电信号进行处理分析：(a)对应参考吸收池（13)时，计算机 (11)分析得出室温连续模式中红外量子级联激光器（4)的中心频率漂移信息并将其反馈 给电流控制单元（3)，电流控制单元（3)根据接收到的中心频率漂移信息，进行电流补偿， 稳定室温连续模式中红外量子级联激光器（4)的中心频率；(b)对应标准具时，计算机（11) 分析得出室温连续模式中红外量子级联激光器（4)的相对波长调谐范围，再结合HITRAN光 谱数据库中提供的分子谱线参数，实现对室温连续模式中红外量子级联激光器（4)波长调 谐范围的绝对校正。10. 根据权利要求9所述的基于两种量子级联激光光谱多组分气体同时检测方法，其 步骤还包括： A. 指示光源（15)产生可见光信号并入射到第二反射镜（16); B. 第二反射镜（16)将可见光信号反射到分束器（12); C. 分束器（12)将可见光信号反射使其与经分束器（12)透射过来的室温连续模式中红 外激光器（4)的激光信号同轴，可见光信号成为激光信号的指示光； D. 根据指示光在样品吸收池（7)内镜面上的光斑分布特性，调节第一反射镜（6)和样 品吸收池（7)的位置，使光斑分布越多越均匀，获得最高耦合效率。
【专利摘要】本发明涉及激光光谱检测和气体检测技术领域，具体为基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置及方法。任意波函数发生器输出只在任意半周期内叠加高频调制信号的周期性信号作为激光器的电流驱动信号，通过电流控制单元对室温连续模式中红外量子级联激光器进行驱动，激光器发出激光信号，依次经过聚焦准直三维调节系统、第一反射镜、样品吸收池和离轴抛物面镜后反射到第一探测器，第一探测器将激光信号通过数据采集单元后转化为电信号并传输给计算机，计算机对电信号进行分析处理得出待测气体信息。本发明同时利用两种光谱法对气体进行检测，具有探测灵敏度高，测量精度高，无需外界标气校正，光路调节简便，响应快和系统稳定性高等优点。
【IPC分类】G01N21/3504, G01N21/01
【公开号】CN105277503
【申请号】CN201510520892
【发明人】李劲松, 邓昊, 俞本立
【申请人】安徽大学
【公开日】2016年1月27日
【申请日】2015年8月20日