[发明专利]一种基于中红外全光纤直接吸收法的多组分痕量气体检测系统和方法

权利要求书

1.一种基于中红外全光纤直接吸收法的多组分痕量气体检测系统，其特征在于：所述系统包括：波长可调谐、窄线宽中红外量子级联激光器、第一中红外单模光纤、中红外空芯光纤、第一三通阀门、第一气体管道、第一微箱、第二三通阀门、第二气体管道、第二微箱、真空泵、压力泵、第二中红外单模光纤、中红外光电探头、上位机，其中所述中红外量子级联激光器、第一中红外单模光纤、中红外空芯光纤、第二中红外单模光纤、中红外光电探头均设置有多个且数量相同，多个中红外量子级联激光器的中心波长均不相同，多个中红外空芯光纤的工作波长均不相同，多个中红外光电探头的探测波长均不相同；

所述中红外量子级联激光器的输出端连接第一中红外单模光纤输入端，第一中红外单模光纤输出端与中红外空芯光纤输入端熔接，中红外空芯光纤输出端与第二中红外单模光纤输入端熔接，第二中红外单模光纤输出端连接中红外光电探头，两段中红外单模光纤与中红外空芯光纤构成全光纤结构光路；

所述中红外空芯光纤输入端钻有一个微孔一，并通过微孔一连接第一微箱，中红外空芯光纤输出端钻有一个微孔二，并通过微孔二连接第二微箱，从而构成光场和气体重合度高的全光纤结构气体检测通道；第一微箱通过第一气体管道与第一三通阀门一端连接，第一三通阀门另外两端分别连接被测气体入口端以及压力泵，第二微箱通过第二气体管道与第二三通阀门一端连接，第二三通阀门另一端连接真空泵；

所述上位机分别与多个中红外量子级联激光器、第一三通阀门、第二三通阀门、真空泵、压力泵、多个中红外光电探头电性连接；

所述中红外量子级联激光器作为系统光源，激光耦合进入第一中红外单模光纤的输入端、再耦合进入中红外空芯光纤，从中红外空芯光纤输出的激光信号通过第二中红外单模光纤耦合进入中红外光电探头；中红外光电探头探测激光信号强度后转换成电信号，并传输给上位机；上位机用于处理所有测试数据并控制中红外量子级联激光器、第一、第二三通阀门、真空泵、压力泵的开关；

被测气体通过第一三通阀门和第一气体管道到达气密封闭的第一微箱，通过微孔一进入中红外空芯光纤，并充满整个中红外空芯光纤纤芯，再通过微孔二离开中红外空芯光纤，并进入气密封闭的第二微箱；被测气体经过第二微箱并通过第二气体管道和第二三通阀门排出检测系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于中红外全光纤直接吸收法的多组分痕量气体检测系统，其特征在于：所述中红外量子级联激光器的中心波长范围为4-14微米。

3.根据权利要求1所述的一种基于中红外全光纤直接吸收法的多组分痕量气体检测系统，其特征在于：所述第一中红外单模光纤、第二中红外单模光纤采用氟化物玻璃光纤、硫化物玻璃光纤、硒化物玻璃光纤、碲化物玻璃光纤中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于中红外全光纤直接吸收法的多组分痕量气体检测系统，其特征在于：所述微孔直径d的取值范围为20-500微米。

5.根据权利要求1所述的一种基于中红外全光纤直接吸收法的多组分痕量气体检测系统，其特征在于：所述微孔内壁表面粗糙度低于1微米。

6.根据权利要求1所述的一种基于中红外全光纤直接吸收法的多组分痕量气体检测系统，其特征在于：所述中红外光电探头的探测波长范围为3-11微米。

7.一种基于权利要求1至6任一项所述的检测系统实现的中红外全光纤直接吸收法的多组分痕量气体检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、关闭第一三通阀门，关闭第二三通阀门的空闲阀门，打开真空泵，对整个气室通道抽真空，真空度达到p个大气压；关闭真空泵，保持第一三通阀门与压力泵连通，注入氮气清洗气室；关闭第一三通阀门，关闭第二三通阀门的空闲阀门，打开真空泵，对整个气室通道抽真空，真空度达到p个大气压，关闭真空泵；

S2、保持第一三通阀门与被测气体入口端连通，注入被测气体；被测气体充满整个气室通道，关闭第一三通阀门，气室通道保持全封闭状态；

S3、打开中红外量子级联激光器，设定工作波长为估计痕量气体特征波长λ₀，激光信号通过第一中红外单模光纤，进入空芯光纤气室；激光信号在气室内被测气体吸收后，进入第二中红外单模光纤，信号由中红外光电探头接收，并传输到上位机上，从而测得全光纤气室在波长λ₀处的激光输出强度I(λ₀)；接着，通过调节中红外量子级联激光器的输出波长，当测试输出激光强度为最小值时，由于激光线宽远小于气体光谱线宽，该波长λ₁为该气体吸收谱线峰值位置，该波长的激光输出强度I(λ₁)为气体吸收谱线峰值位置的激光输出强度；

S4、保持中红外量子级联激光器的输出状态，重复步骤S1，测试真空状态下全光纤气室在波长λ₁处的激光输出强度I(λ_1,vac)；

S5、将步骤S3中在波长λ₁处测得的激光输出强度扣除步骤S4中在波长λ₁处测得的激光强度，得到在波长λ₁处由于气体吸收造成的激光衰减强度；根据朗伯比尔定律和光纤气室真实长度L，上位机计算出在波长λ₁处单位长度的气体吸收系数；

S6、上位机比照气体光谱数据库HITRAN，由于气体在中红外波段的指纹式特征，根据特征波长λ₁，判定该气体种类；再次，根据该气体数据库的吸收截面数据，推算出该气体的绝对浓度；

S7、在多通道结构情况下，重复步骤S2-步骤S6的过程，在每一波长对每一个气室通道平行同时进行测试，从而快速确定多组分痕量气体的种类和浓度。