[发明专利]一种测量气体浓度的螺旋型多光程装置

说明书

技术领域

本发明涉及光学测量领域，特别涉及一种测量气体浓度的光学装置。

背景技术

随着经济的发展，人类对地球开发利用的速度远远超出了地球的可再生周期，因而出现了许多环境问题，其中最严重的是空气质量问题。工业排放的废气、汽车排放的尾气、煤炭的燃烧无不对空气造成严重的污染。所以我们需要对空气进行实时的监测，全面了解空气的质量，以做出相应的对策。

测量空气浓度的方法许多比如：色谱法、射线吸收法和光谱吸收法等。其中光谱吸收法应用普遍，技术较成熟。多次反射池是吸收光谱学学系统中非常重要的一部分，特别是在痕量气体检测中，根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律，增加光和样品的作用距离，能增大吸收信号的幅度，从而能有效地提高光谱探测灵敏度。

最常用的光学长程池有White型光学长程池[1]JohnU.White.LongOpticalPathsofLargeAperture.JournaloftheOpticalSocietyofAmerica.1942,32(5):285.和Herriott型光学长程池[2]D.Herriott,H.Kogelinik,R.Kompfner.Off-AxisPathsinSphericalMirrorInterferometers.Appl.Opt.1964,3(4):523～526.。其中White型长程池的特点是孔径角较大，适用于普通光源和激光光源，但所用反射镜较多，至少三块，不利于调节，机械稳定性差。而Herriott型长程池的光学系统由两个凹面反射镜组成，其特点是结构简单，光路调节相对容易，但孔径角较小，适用于激光光源，所以目前吸收光谱学的研究多使用Herriott池。

Herriott池要求两块等焦距凹面镜平行且同轴。但在实际应用中难以使两凹面镜的主光轴重合，并且微小的振动都会对其产生很大的影响。为此，多光程池向着易于调节、较多的反射次数、小型化和机械稳定性好方向发展。比如：2000年郝绿原用凹面反射镜和平面反射镜组成，只需调节两镜相对平行即可，简化了光学仪器的调节。2010年夏滑将其中一块凹面镜分割成上下两半，实现了反射次数成倍的增加。最近BélaTuzson研制出一个体积只有40cm³的圆环型多光程池，通过调节入射角度，使圆筒中出现单圈循环反射，其等效光程可达到4m。

发明内容

为了解决上述问题，本发明基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术，设计出一种测量气体浓度的螺旋型的多光程装置，可以用于精确测量气体的浓度。

本发明提供的一种测量气体浓度的螺旋型多光程装置，包括激光光源模块、螺旋型多光程池和输出信号检测模块，其中，所述螺旋型多光程池包括凹面螺旋光学腔，入射窗口和出射窗口，所述凹面螺旋光学腔由曲率半径为r的曲线沿径向半径R做螺旋旋转而成；所述激光光源模块射出的激光通过入射窗口入射到所述凹面螺旋光学腔，经过螺旋式的来回循环反射，由所述出射窗口出射，经输出信号检测模块进行检测；

其中，所述凹面螺旋光学腔满足条件0≤R≤r

所述螺旋型多光程池还包括密封外盖，所述密封外盖位于所述凹面螺旋光学腔的上下表面，所述密封外盖上设有进气口和进气口，所述进气口用于注入待测气体，所述进气口用于对螺旋型多光程池进行真空吸收。

所述激光光源模块包括激光温度电流控制器，激光器，所述激光温度电流控制器用于控制激光器的温度和电流，从而达到波长的调谐。

所述输出信号检测模块包括光电探测器、锁相放大器、和A/D转换电路，所述光电探测器用于探测从所述输出窗口输出的光束，并将探测得到光信号转化为电信号，所述锁相放大器对所述电信号进行放大和滤波以及解调成为模拟信号，所述A/D转换电路用于将解调出的模拟信号转化为数字信号。

此外，所述测量气体浓度的螺旋型多光程装置还包括高频调制电路和MCU(单片微型计算机)，所述高频调制电路用于对所述激光器输入高频率正弦波信号，以及为所述锁相放大器输入高频率正弦波参考信号，所述锁相放大器通过所述高频率正弦波参考信号为所述电信号进行解调；所述MCU用于为激光温度电流控制器输出低频三角波，以及对所述A/D转换电路输出的数字信号进行采集与处理。

此外，所述螺旋型多光程池还包括入射窗口密封阀和出射窗口密封阀，所述入射窗口密封阀包括入射窗底盘、第一平面镜和入射窗顶盘，所述入射窗底盘有0-15°的倾斜度，所述入射窗底盘密封安装在所述入射窗口上，所述第一平面镜通过所述入射窗顶盘密封安装在所述入射窗底盘上；