專利名稱：氣體的光電測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及氣體的光電測量，特別涉及復(fù)雜背景下微量氣體測量的光電測量裝置。
背景技術(shù)：
在流程エ業(yè)領(lǐng)域，普遍存在微量氣體濃度的測量需要，比如天然氣中測量微量的H2S氣體，由于其濃度小，傳統(tǒng)紅外分析儀表、普通單光程激光氣體分析儀表等都無法達到測量精度并實現(xiàn)在線連續(xù)測量。基于高精細度腔的激光氣體分析技術(shù)可以達到測量說要求的探測下限，但是受限于以下因素，導(dǎo)致該技術(shù)很難在類似環(huán)境中得到應(yīng)用 I.在復(fù)雜的過程氣體中，高濃度的背景氣體在被測氣體吸收波段存在很強的廣譜光譜吸收，而且相比之下微量被測氣體的特征吸收強度非常微弱。將疊加在強背景吸收信號上的微弱被測吸收信號分離并放大分析，測量精度很差。高濃度背景氣體氣體濃度的細微變化就會影響被測氣體的測量準確性。比如使用基于高精細腔技術(shù)的腔衰蕩光譜技術(shù)(CRDs)由于背景氣體的光譜吸收較強，衰蕩時間短，測量精度降低，無法從中分離出微量被測氣體的衰蕩時間。2.對基于高精細度腔的積分腔光譜技術(shù)(ICOS)，通過調(diào)制吸收技術(shù)可以得到背景吸收中的微弱氣體吸收，但是如果高濃度背景氣體的吸收大，導(dǎo)致激光束在腔內(nèi)的損耗増大，顯著地減少來回反射的次數(shù)，從而影響被測氣體吸收的有效光程。在實際測量過程中，背景氣體組分在不停地變化，被測氣體吸收的信號也會隨之發(fā)生變化，引起顯著地測量誤差。

實用新型內(nèi)容為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)方案中的不足，本實用新型提供一種測量精度高、能測量復(fù)雜背景下的微量氣體的光電測量裝置。本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的氣體的光電測量裝置，所述測量裝置包括光源，所述光源用于發(fā)出測量光，所述測量光包含對應(yīng)于被測氣體吸收譜線的光;開關(guān)模塊，所述開關(guān)模塊用于控制是否有測量光進入諧振腔；諧振腔，所述諧振腔包括第一高反射率腔鏡和第二高反射率腔鏡，所述諧振腔用于容納待測氣體且使所述測量光進入并在所述第一高反鏡和第二高反鏡之間來回反射；當光在諧振器內(nèi)反射過程中，會從腔鏡透射出微弱的光束；探測模塊，所述探測模塊用于在所述開關(guān)模塊為開狀態(tài)時將接收到的從所述諧振腔出射的光強轉(zhuǎn)換為第一電信號，并傳送到分析単元，以及在所述開關(guān)模塊為關(guān)狀態(tài)時將接收到的從所述諧振腔透射出射的光強轉(zhuǎn)換為第二電信號，并傳送到補償模塊；補償模塊，所述補償模塊用于根據(jù)接收到的所述第二電信號得出衰蕩時間T ,從而補償所述測量光在所述諧振腔內(nèi)的光程，進而將補償后的有效光程Lrff傳送到分析單元;分析単元，所述分析単元用于利用光譜技術(shù)分析接收到的所述第一電信號以及有效光程Lrff，從而獲知所述諧振腔內(nèi)被測氣體的含量。根據(jù)上述的測量裝置，可選地，所述開關(guān)模塊控制所述光源是否發(fā)出測量光，或設(shè)置在所述測量光的光路上。根據(jù)上述的測量裝置，優(yōu)選地，所述光源是激光器。根據(jù)上述的測量裝置，可選地，所述探測模塊包括第一探測模塊和第二探測模塊，分別用于輸出所述第一電信號和第二電信號。根據(jù)上述的測量裝置，優(yōu)選地，所述第一電信號是調(diào)制吸收信號。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有的有益效果為I、通過調(diào)制吸收信號(即第一電信號)，可以從強背景吸收信號中提取出2、通過衰蕩時間信號(即第二電信號)，可以實時地測量光束在高精細腔內(nèi)的有效光程，使得到的被測氣體濃度很準確，并不受背景氣體強吸收的影響。

參照附圖，本實用新型的公開內(nèi)容將變得更易理解。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的是這些附圖僅僅用于舉例說明本實用新型的技術(shù)方案，而并非意在對本實用新型的保護范圍構(gòu)成限制。圖中圖I是根據(jù)實施例I的測量裝置的基本結(jié)構(gòu)圖；圖2是根據(jù)實施例I的測量方法的流程圖；圖3是根據(jù)實施例2的測量方法中選用的吸收譜線示意圖；圖4是根據(jù)實施例2的測量方法中驅(qū)動信號的示意圖；圖5是根據(jù)實施例3的測量方法中驅(qū)動信號的示意圖；圖6是根據(jù)實施例4的測量裝置的基本結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式
圖1-6和以下說明描述了本實用新型的可選實施方式以教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員如何實施和再現(xiàn)本實用新型。為了教導(dǎo)本實用新型技術(shù)方案，已簡化或省略了一些常規(guī)方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解源自這些實施方式的變型或替換將在本實用新型的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解下述特征能夠以各種方式組合以形成本實用新型的多個變型。由此，本實用新型并不局限于下述可選實施方式，而僅由權(quán)利要求和它們的等同物限定。實施例I :圖I示意性地給出了本實施例的氣體的光電測量裝置的基本結(jié)構(gòu)圖。如圖I所示，所述測量裝置包括光源，所述光源用于發(fā)出測量光，所述測量光包含對應(yīng)于被測氣體吸收譜線的光;可選地，所述光源可以是單色性極好的激光器，如半導(dǎo)體激光器，此時還需設(shè)置溫度控制模塊以及電流輸入模塊。[0033]開關(guān)模塊(未示出)，所述開關(guān)模塊用于控制是否有測量光進入諧振腔；所述開關(guān)模塊至少有兩種工作方式，如所述開關(guān)模塊控制所述光源的驅(qū)動模塊，從而控制所述光源是否發(fā)出測量光；還可以是在光源發(fā)出的測量光的光路上設(shè)置遮擋物，如遮擋片、聲光晶體等，從而控制測量光通過與否。諧振腔，所述諧振腔包括第一高反鏡和第二高反鏡，所述諧振腔用于容納被測氣體且便于所述測量光進入并在所述第一高反鏡和第二高反鏡之間來回多次反射；所述諧振腔對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是容易理解的基本常識。探測模塊，所述探測模塊用于在所述開關(guān)模塊為開狀態(tài)時將接收到的從所述諧振腔出射的光強轉(zhuǎn)換為第一電信號，并傳送到分析単元，以及在所述開關(guān)模塊為關(guān)狀態(tài)時將接收到的從所述諧振腔出射的光強轉(zhuǎn)換為第二電信號，并傳送到補償模塊；由于上述第一電信號和第二電信號的帶寬不同，通常情況下設(shè)置第一探測模塊 (如光電探測器和鎖相放大電路)和第二探測模塊(如光電探測器和放大電路)，用于分別輸出所述第一電信號和第二電信號。補償模塊，所述補償模塊用于根據(jù)腔衰蕩技術(shù)處理接收到的所述第二電信號(代表的是光強隨時間的變化關(guān)系)，從而得出衰蕩時間τ，從而補償所述測量光在所述諧振腔內(nèi)的光程，進而將補償后的有效光程Lrff傳送到分析単元；所述補償模塊采用電路實現(xiàn)，或者采用軟件來實現(xiàn)，具體實現(xiàn)方式對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是容易理解的。優(yōu)選地，利用所述衰蕩時間τ補償所述光程的方式為Leff =び=c是光速，し為所述諧振腔的腔長，R為反射率，N為待測氣體的濃度，σ (V)為待測氣體的単位吸收。分析単元，所述分析単元用于利用光譜技術(shù)分析接收到的所述第一電信號以及有效光程Lrff，從而獲知所述諧振腔內(nèi)被測氣體的含量。如圖I所示，信號控制和處理電路實現(xiàn)了所述補償模塊和分析単元的全部功能，而且還控制了激光器的電流輸入(如三角波加正弦波的調(diào)制)和溫度控制。圖3示意性地給出了本實施例的氣體的光電測量方法的流程圖。如圖3所示，所述測量方法包括以下步驟(Al)光源發(fā)出的測量光進入諧振腔內(nèi)，所述諧振腔由第一高反鏡、第二高反鏡組成；在所述第一高反鏡和第二高反鏡來回反射，所述測量光中對應(yīng)于被測氣體的吸收譜線的光被被測氣體吸收而衰減；(A2)探測模塊將接收到的從所述諧振腔出射的光強轉(zhuǎn)換為第一電信號，并傳送到分析單元；(A3)不再有測量光進入所述諧振腔，所述探測模塊將接收到的從所述諧振腔出射的光強轉(zhuǎn)換為第二電信號，并傳送到補償模塊；開關(guān)模塊用于控制是否有測量光進入所述諧振腔，至少有兩種工作方式，如所述開關(guān)模塊控制所述光源的驅(qū)動模塊，從而控制所述光源是否發(fā)出測量光；還可以是在光源發(fā)出的測量光的光路上設(shè)置遮擋物，從而控制測量光通過與否。由于上述第一電信號和第二電信號的帶寬不同，通常情況下設(shè)置第一探測模塊(如光電探測器和鎖相放大電路)和第二探測模塊(如光電探測器和放大電路)，用于分別輸出所述第一電信號和第二電信號。(A4)補償模塊根據(jù)接收到的所述第二電信號得出衰蕩時間τ，并補償所述測量光在所述諧振腔內(nèi)的光程，并將補償后的有效光程Leff傳送到分析単元；優(yōu)選地，利用所述衰蕩時間τ補償所述光程的方式為
權(quán)利要求1.氣體的光電測量裝置，其特征在于所述測量裝置包括 光源，所述光源用于發(fā)出測量光，所述測量光包含對應(yīng)于被測氣體吸收譜線的波長； 開關(guān)模塊，所述開關(guān)模塊用于控制是否有測量光進入諧振腔； 諧振腔，所述諧振腔包括第一高反鏡和第二高反鏡，所述諧振腔用于容納被測氣體且使所述測量光進入并在所述第一高反鏡和第二高反鏡之間來回反射； 探測模塊，所述探測模塊用于在所述開關(guān)模塊為開狀態(tài)時將接收到的從所述諧振腔出射的光強轉(zhuǎn)換為第一電信號，并傳送到分析単元，以及在所述開關(guān)模塊為關(guān)狀態(tài)時將接收到的從所述諧振腔出射的光強轉(zhuǎn)換為第二電信號，并傳送到補償模塊； 補償模塊，所述補償模塊用于根據(jù)接收到的所述第二電信號得出衰蕩時間T，從而補償所述測量光在所述諧振腔內(nèi)的光程，進而將補償后的有效光程Leff傳送到分析単元；分析単元，所述分析単元用于利用光譜技術(shù)分析接收到的所述第一電信號以及有效光程Lrff，從而獲知所述諧振腔內(nèi)被測氣體的含量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量裝置，其特征在于所述開關(guān)模塊控制所述光源是否發(fā)出測量光，或設(shè)置在所述測量光的光路上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量裝置，其特征在于所述光源是激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的測量裝置，其特征在于所述探測模塊包括第一探測模塊和第二探測模塊，分別用于輸出所述第一電信號和第二電信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量裝置，其特征在于所述第一電信號是調(diào)制吸收信號。
專利摘要本實用新型提供了氣體的光電測量裝置，包括光源；開關(guān)模塊，用于控制是否有測量光進入諧振腔；諧振腔，包括第一高反鏡和第二高反鏡；探測模塊，用于在所述開關(guān)模塊為開狀態(tài)時將接收到的從所述諧振腔出射的光強轉(zhuǎn)換為第一電信號，并傳送到分析單元，以及在所述開關(guān)模塊為關(guān)狀態(tài)時將接收到的從所述諧振腔出射的光強轉(zhuǎn)換為第二電信號，并傳送到補償模塊；補償模塊，用于根據(jù)接收到的所述第二電信號得出衰蕩時間τ，從而補償所述測量光在所述諧振腔內(nèi)的光程，進而將補償后的有效光程Leff傳送到分析單元；分析單元，用于利用光譜技術(shù)分析接收到的所述第一電信號以及有效光程Leff，從而獲知所述諧振腔內(nèi)被測氣體的含量。本實用新型具有測量精度高、可用于復(fù)雜背景下微量氣體的測量等優(yōu)點。
文檔編號G01N21/27GK202404018SQ201120577728
公開日2012年8月29日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者俞大海, 章瑜 申請人:聚光科技(杭州)股份有限公司