[发明专利]基于短腔腔增强关联光谱技术测量气体浓度的装置及采用该装置测量气体浓度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光吸收光谱领域，具体涉及一种用于气体浓度高灵敏测量装置和方法。

背景技术

在当前光谱学测量气体浓度的方法中，以吸收光谱技术为主流，因为其存在可用作参考的无吸收背底信号，所以相比于荧光光谱和光声光谱等其他技术来说，在实际应用中可以做到更好的定量检测。在痕量气体检测领域，最常用的吸收光谱技术包括紫外-可见波段的差分光学吸收光谱学DOAS、差分吸收激光雷达DIAL、傅里叶变换光谱FTIR和可调谐半导体激光吸收光谱TDLAS等。相比于其它吸收光谱技术，TDLAS技术由于采用了半导体激光光源而具有波长易调谐、体积小、能耗低等优点。然而TDLAS技术在实际应用中仍然面临两个主要问题：1、激光输出波长对激光工作电流和温度的变化敏感，在复杂工业环境应用中难以保证长期测量的准确性；2、除了通信波段1550nm附近以外的其它可见光波段和红外波段的单纵模激光成本较高。此外，为了实现痕量气体测量，一个常用的直接方法是增加光通过被测气体的光程长度，从而产生更强的吸收来达到提高信噪比的目的。目前最佳的光程延长技术是高反射腔增强法，但该技术为了保证吸收光谱的分辨率，往往采用长达几十厘米的反射腔。大的腔体大大抵消了TDLAS技术小型化的优势，同时也减缓了系统的气体测量响应时间。

发明内容

本发明是为了解决现有的腔增强TDLAS技术中出现的稳定性差、成本高和体积大的问题，现提供一种基于短腔腔增强关联光谱技术测量气体浓度的装置及采用该装置测量气体浓度的方法。

基于短腔腔增强关联光谱技术测量气体浓度的装置，该装置包括多模激光器、分光镜、光隔离器、一号反光镜、二号反光镜、三号反光镜、前置光阑、后置光阑、高反射腔样品池、样品光路探测器、参考光路探测器、参考光路参考池、数据采集处理器和信号调制器；

信号调制器发射温度调制信号至多模激光器的温度接收端，同时信号调制器发射电流调制信号至多模激光器的电流接收端，多模激光器发射一束光束至分光镜，分光镜将所述光束分为两束，经该分光镜反射的光为参考光，经该分光镜透射的光为样品光，所述参考光经入射至三号反光镜，经该三号分光镜反射后的光束发送至参考光路参考池的光输入端，经该参考光路参考池输出的参考光束入射至参考光路探测器的光信号输入端；参考光路探测器的电信号输出端连接至数据采集处理器的参考光信号输入端；

样品光入射至光隔离器，经该光隔离器输出至一号反光镜，经该一号反光镜4反射后发送至二号反光镜，经二号反光镜反射后的反射光依次穿过前置光阑和后置光阑的中央缝隙后，入射至高反射腔样品池，该高反射腔样品池9输出的光束入射至样品光路探测器的光输入端，该样品光路探测器的电信号输出端连接至数据采集处理器的样品光信号输入端。

高反射腔样品池的两端分别设置有一个高反镜，两个高反镜之间的距离为0cm～10cm之间可调；两个高反镜的反射率在0.99与1之间，且所述两个高反镜的反射率相同，两个高反镜的曲率半径范围为10cm～50cm，且两个高反镜的曲率半径相同。

前置光阑的直径小于3mm，后置光阑的直径小于3mm，且所述前置光阑的直径与所述后置光阑的直径相等。

采用基于短腔腔增强关联光谱技术测量气体浓度的装置测量气体浓度的方法包括以下步骤：

步骤一、将浓度为N_r的参考气体充入参考光路参考池中，将浓度为N_s的待测气体充入高反射腔样品池中；

步骤二、信号调制器发送温度调制信号至多模激光器的温度接收端，信号调制器同时发射电流调制信号至多模激光器的电流接收端，多模激光器根据温度调制信号对多模激光器进行温度调制，多模激光器根据电流调制信号对多模激光器的激光光束进行电流调制，然后多模激光器发射一束光束；

步骤三、参考光路探测器接收穿过参考光路参考池的参考光，样品光路探测器接收穿过高反射腔样品池的样品光；

步骤四、参考光路探测器将接收到的参考光转化为参考光电信号并发送至数据采集处理器的参考信号输入端，样品光路探测器将接收到的样品光转化为样品光电信号并发送至数据采集处理器的样品信号输入端；数据采集处理器对参考光电信号和样品光信号进行采集及分析，从而获得待测气体浓度。