[发明专利]基于离轴积分腔系统的双光路气体浓度测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于离轴积分腔系统的双光路气体浓度测量装置及方法。装置主要由依次连接的电脑(1)、任意函数发生器(2)、温度电流控制器(3)、激光器、光纤、内置待测气体的光学谐振腔(10)、光电传感器(12)和数据采集器(13)组成，其中，激光器为输出不同波长的第一激光器(4)和第二激光器(5)，光纤为第一光纤(6)和第二光纤(7)；方法包括采集和处理光电传感器信号，尤为通过电脑生成两组相同频率、波形和相位差为180°的锯齿波信号，以由任意函数发生器将其转换为电信号后送往温度电流控制器，用于控制第一激光器和第二激光器交替输出激光信号。它可同时进行两种痕量气体浓度的高效探测和物质化学成分的精确分析。

技术领域

本发明涉及一种气体浓度测量装置及方法，尤其是一种基于离轴积分腔系统的双光路气体浓度测量装置及方法。

背景技术

探测痕量气体浓度是当前热门的科学研究课题，随着城市工业化的不断发展，石油、煤炭、化工等行业在生产过程中不断地产生大量的污染环境、破坏生态的有毒有害废气。这些气体在大气中虽然浓度很低，但是对大气环境、全球气候及人类健康有着潜移默化的影响。如工业活动排放的过量二氧化碳会导致全球变暖，引起北极冰川消融使该处可燃冰不断释放出大量的甲烷，再次引起全球升温形成连锁恶性循环。因此，对于气体浓度的定量、定性、定源的检测和分析是十分必要的。

作为吸收光谱技术中的离轴积分腔吸收光谱技术，具有灵敏度高、稳定性好的基础特性，可对大气中低浓度气体进行高精度探测，如中国发明专利申请CN 110068548 A于2019年7月30日公布的本申请人的《用于离轴积分腔系统中激光器的波长锁定装置及其锁定方法》。该专利申请中提及的锁定装置包括输入端与温度电流控制器电连接、输出端与光纤连接的激光器，以及光纤输出光路上的待测气体和光电传感器，其中，待测气体置于光轴偏离光纤输出光路的光学谐振腔中，温度电流控制器与光电传感器间电连接由依次串接的数据采集分析器件、模拟PID器和加法器，以及输出端与加法器电连接的锯齿波发生器组成的波长锁定部件；锁定方法为对激光器采用锯齿波调制和对采集的信号按含完整待测气体吸收峰、等长的数据段进行截取，并将截取的首个数据段与后续增加一个数据点截取的数据段进行线性相关运算，来获取激光器中心波长的漂移信号。这种波长锁定装置及方法虽能将激光器输出的频率稳定在特定的吸收峰上，以广泛地用于基于离轴积分腔系统的痕量气体浓度探测和物质化学成分分析，却也存在着只能使用一路激光器对气体进行测量，致使检测效率低之不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种气体浓度检测效率高、使用方便的基于离轴积分腔系统的双光路气体浓度测量装置。

本发明要解决的另一个技术问题为提供一种基于离轴积分腔系统的双光路气体浓度测量方法。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为，基于离轴积分腔系统的双光路气体浓度测量装置包括依次连接的温度电流控制器、激光器、光纤、内置待测气体的光学谐振腔、光电传感器和数据采集器，特别是：

所述激光器为输出不同波长的第一激光器和第二激光器；

所述光纤为连接第一激光器的第一光纤和连接第二激光器的第二光纤；

所述数据采集器和温度电流控制器间依次连接有电脑和任意函数发生器，以由电脑发出两组相同频率、波形和相位差为180°的锯齿波信号，来由任意函数发生器将其转换为电信号后送往温度电流控制器，用于控制第一激光器和第二激光器交替输出激光信号。

作为基于离轴积分腔系统的双光路气体浓度测量装置的进一步改进：

优选地，第一激光器和第二激光器均为分布反馈式半导体激光器。

优选地，第一光纤、第二光纤与光学谐振腔间分别置有可调焦距均为7.5mm的第一可调节聚焦透镜组、第二可调节聚焦透镜组。