[发明专利]一种基于空心光纤的便携式差分吸收光谱气体测量系统

说明书

本发明公开了一种基于空心光纤的便携式紫外吸收光谱气体测量系统，由光源，光纤接头，空心光纤，探测器，气泵和锂电池等构成。光源发出的光辐射直接耦合进入空心光纤，同时，采样气流也通过光纤接头进入空心光纤，光辐射在充满采样气流的空心光纤内传输至光谱仪探测器，获得吸收光谱。该系统结合空心光纤特点，将样品吸收池与传统晶体光纤相融合，极大简化了传统便携式差分吸收光谱测量系统结构。该系统可根据实际探测需求，通过增加空心光纤长度来提高待测气体的光学吸收厚度；空心光纤采用圆形多层绕行叠放排列方式，在较小的空间范围实现很长的吸收光程。本发明具备高灵敏度、高精度和轻量化的特点，且无需外部供电，实现待测气体快速监测。

技术领域

本发明属于一种光学测量方法领域，具体涉及一种基于空心光纤的便携式差分吸收光谱气体测量系统。

背景技术

20世纪70年代，差分吸收光谱技术(DOAS)由德国Heidelberg大学环境物理研究所的U.Platt等人提出，该技术主要是以大气中的痕量污染气体对紫外和可见波段的特征吸收为基础，通过特征吸收光谱对大气污染气体进行定性识别和定量检测。DOAS技术基于分子的宽带光谱吸收原理，利用空气中的污染成份对UV/VIS波段的吸收特征来定量分析，即每种污染气体都有其独特的“指纹”吸收光谱特征的，具有原位在线测量、多组分气体同时测量、测量精度高、可实时在线监测等优点，目前已广泛应用于大气痕量气体成份的探测及污染应急监测。

经典差分吸收光谱气体测量系统采用开放光路设计，其体积较大，且不易携带。随着光电技术的快速发展，光学器件趋于小型化，国内外出现了采用多次反射池的便携式紫外现场分析系统，该系统将差分吸收光谱技术、光纤光谱仪与多次反射池技术相结合，具有小型、便携的特点，在污染重的区域、工厂、车间、室内以及污染泄漏事故中的移动快速应急监测，实现紫外吸收光谱的高效测量，在具有较低的检测下限的同时也满足便携式测量的目的，且能够满足移动快速的应急监测，但其光学结构相对复杂，对机械加工和紫外镜片镀膜等工艺较高，且系统体积仍相对较大，重量较重。

近年，出现了一种新型的带隙空心光子晶体光纤，图1所示为典型空心光纤产品端面图。这种光纤在外观上与传统光纤相同，但空心光子晶体光纤的导光机制与传统光纤完全不同，并非在二氧化硅基质中传播，它是由空气包层的光子带隙效应将光限制在空气纤芯中传输的，光线穿过空心到达边沿时，光子晶体会弹回光子新型的空心光子带隙纤维，通过在光纤包层中产生光子带隙可以将光限制在中央的空心核中传播。正是空心光纤的这种特性，使本发明成为可能。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术不足，基于空心光纤的便携式差分吸收光谱气体测量系统具备高灵敏度、高精度、小型化和轻量化的特点，该系统采用空心光纤设计，样品吸收池与光学传导装置相重合，实现了光学耦合系统、样品吸收池和传统晶体光纤的作用，使光辐射在采样气流中传播，极大简化了传统便携式差分吸收光谱测量系统结构，实现吸收光谱的高效测量，在具有较低的检测下限的同时也满足便携式测量的目的，且能够满足移动快速的应急监测。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于空心光纤的便携式差分吸收光谱气体测量系统，包括光源，光纤接头，空心光纤，光谱仪探测器，进样管，气溶胶过滤器，气泵等。光源发出的光辐射直接耦合进入空心光纤，同时，采样气流也通过进样管传输至光纤接头进入空心光纤，光辐射在充满采样气流的空心光纤内传输至光谱仪探测器，根据空心光纤长度，对吸收光谱进行差分吸收光谱算法解析即可获得待测气体浓度。

为满足探测测量气体足够的光学吸收厚度，空心光纤可以采用圆形多层绕行叠放方式，在极小的空间范围可以明显提高待测气体吸收光程，达到高灵敏度的测量特点。

所述光源可以采用LED，氘灯，氙灯等光源，提供稳定的光学辐射，可根据实际探测要求，增加光源固定装置和控温装置。

所述的光纤头为T型设计，分别连接气管，空心光纤，和光源(探测器)，具备较好的气密性，保证气流不外漏。