[发明专利]顺磁性气体分子浓度检测系统和方法

说明书

本发明提供了一种顺磁性气体分子浓度检测系统和方法，包括：控制器，用于产生激光调制信号和磁场调制信号；光学单元，用于产生激光、将气体分子浓度信息转化为腔透射光的偏振信息；电学测量单元，用于在谐振腔中产生交变磁场、将腔透射光的偏振信息转换为电信号并从中提取反映气体浓度信息的谐波信号；反馈锁频单元，用于将来自谐振腔的反射光信号转换为电信号并从中提取用于调整激光器驱动电流的误差信号，实现激光频率与谐振腔频率的锁定；腔长锁定单元，用于控制压电陶瓷驱动器锁定谐振腔腔长。本方法可以提高顺磁性气体分子的检测灵敏度。

技术领域

本发明涉及红外检测技术领域，尤其涉及一种顺磁性气体分子浓度检测系统和方法。

背景技术

顺磁性气体分子如一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO₂)等在环境保护、大气化学分析、医疗诊断和燃烧分析等方面起着重要的作用。排放进入大气的NO和NO2是光化学烟雾、酸雨及雾霾形成的主要原因，在医学中通过检测人体呼出气中的NO浓度，可以对气道炎症和肺部疾病进行诊断。因此，快速准确的对大气、人体呼出气等进行顺磁性分子检测具有重要的意义。但是在上述测试环境中，顺磁性气体的含量非常低，对检测系统的灵敏度提出了较高的要求。

目前，现有技术中的检测方法主要包括化学法和法拉第调制光谱技术。国内外对痕量顺磁性气体分子的检测主要以气相色谱法、化学发光法等化学方法为主，该方法响应速度较慢。法拉第调制光谱技术具有响应快、灵敏度高、和不受水汽、二氧化碳等非顺磁性分子光谱干扰等特点，是一种适合应用于顺磁性分子浓度在线检测的光谱技术。但是该技术在一些需要超高灵敏探测的应用领域，如大气化学分析、疾病诊断等，其探测水平还不能满足需要。为了进一步提高法拉第调制光谱技术的灵敏度，降低检测下限，研究人员进行了大量的工作。但是当接近散粒噪声极限之后，性能很难取得较大改进。因此，为了提高法拉第调制光谱技术的灵敏度需要将研究方向从降低噪声转移到增强信号上。

由于法拉第旋转角在多次穿过同一样品后是累积的，因此实现信号增强最有效的方法是增加光与气体分子的相互作用长度。

发明内容

本发明针对现有法拉第调制光谱技术的灵敏度不足，提供了一种顺磁性气体分子浓度检测系统及方法，以提高顺磁性气体分子的检测灵敏度。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本发明的一方面提供了一种顺磁性气体分子浓度检测系统，其特征在于，包括：控制器、激光器驱动器、光学单元、电学测量单元、反馈锁频单元和腔长锁定单元；

所述的控制器，用于产生激光调制信号和磁场调制信号；

所述的光学单元包括谐振腔，所述光学单元的第一输入端与所述的激光器驱动器的输出端电路连接，用于将气体分子浓度信息转化为腔透射光的偏振信息；

所述的电学测量单元包括检偏器、第一光电探测器、锁相放大器、第一功率分束器和螺旋线圈驱动器，所述光学单元的谐振腔透射光耦合至所述检偏器中并被第一光电探测器探测，得到可反映腔透射光偏振信息的电信号，第一光电探测器与锁相放大器电路连接，所述的第一功率分束器接收所述控制器产生的磁场调制信号，分别与所述的锁相放大器和螺旋线圈驱动器电路连接，所述的螺旋线圈驱动器电路连接至所述光学单元的第二输入端，用于在谐振腔内产生交变磁场；所述的锁相放大器用于将得到的电信号与磁场调制信号进行相关运算，从中提取反映气体浓度信息的谐波信号；