專利名稱：利用積分球結(jié)合二極管激光吸收光譜技術(shù)的氣體濃度監(jiān)測(cè)裝置及基于該監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體濃度監(jiān)測(cè)裝置及基于該監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
氣體濃度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)在工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)藥及環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域都具有非常重要的意義。在各種氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)日益成熟的今天，人們?cè)谧非蟾哽`敏度的同時(shí)也在追求儀器的小型化和低成本。可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)(Tunable diode laser absorptionspectroscopy-TDLAS)具有高靈敏、高分辨、高速度、可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)使其成為目前 光學(xué)氣體監(jiān)測(cè)的主流方法。為了提高探測(cè)靈敏度，在TDLAS的基礎(chǔ)上增加光程是提高探測(cè)靈敏度的最直接有效的手段。多通池具有很強(qiáng)的延長(zhǎng)光程的能力，也是目前最常用光程延長(zhǎng)方法，但多通池對(duì)入射角有一定的要求才能實(shí)現(xiàn)較好的光路延長(zhǎng)，而且入射角微小的變化都會(huì)導(dǎo)致很大的光程改變，所以穩(wěn)定性及重復(fù)性較差，而其內(nèi)部精密的光學(xué)器件又導(dǎo)致多通池具有較高的價(jià)格，進(jìn)而提高整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)的成本。積分球(Integrating Spheres, IS)是通常被用來(lái)測(cè)量光照度的裝置，由于其內(nèi)部特殊的球腔結(jié)構(gòu)，對(duì)于入射到積分球內(nèi)部的光起到平均延長(zhǎng)的作用，故可將氣體池應(yīng)用于氣體檢測(cè)領(lǐng)域中。而且由于積分球外形緊湊，空間占用率較小，且價(jià)格低廉，非常適合開發(fā)高靈敏、低成本、小型化的氣體監(jiān)測(cè)裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的氣體濃度監(jiān)測(cè)裝置的靈敏度低、小型化程度差的問題，從而提供一種利用積分球結(jié)合二極管激光吸收光譜技術(shù)的氣體濃度監(jiān)測(cè)裝置及基于該監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)方法。利用積分球結(jié)合二極管激光吸收光譜技術(shù)的氣體濃度監(jiān)測(cè)裝置，其特征是它包括調(diào)制正弦波信號(hào)發(fā)生器、掃描鋸齒波信號(hào)發(fā)生器、耦合器、電流控制器、可調(diào)諧二極管激光器、準(zhǔn)直透鏡、積分球、聚焦透鏡、光探測(cè)器、采集卡和計(jì)算機(jī)；調(diào)制正弦波信號(hào)發(fā)生器的調(diào)制正弦波信號(hào)輸出端與耦合器的調(diào)制正弦波信號(hào)輸入端連接；掃描鋸齒波信號(hào)發(fā)生器的掃描鋸齒波信號(hào)輸出端與耦合器的掃描鋸齒波信號(hào)輸入端連接；耦合器的耦合后信號(hào)輸出端與電流控制器的耦合后信號(hào)輸入端連接；電流控制器的控制信號(hào)輸出端與可調(diào)諧二極管激光器的控制信號(hào)輸入端連接；可調(diào)諧二極管激光器發(fā)出激光光束，所述激光光束入射至準(zhǔn)直透鏡，經(jīng)所述準(zhǔn)直透鏡透射后通過(guò)積分球的入光孔入射進(jìn)積分球內(nèi)，并在積分球內(nèi)多次均勻散射形成均勻光場(chǎng)，部分散射光通過(guò)積分球的出射孔入射至聚焦透鏡，經(jīng)所述聚焦透鏡聚焦至光探測(cè)器的感光面；所述光探測(cè)器的電信號(hào)輸出端與采集卡的電信號(hào)輸入端連接；調(diào)制正弦波信號(hào)發(fā)生器的觸發(fā)信號(hào)輸出端與采集卡的觸發(fā)信號(hào)輸入端連接；采集卡的探測(cè)信號(hào)輸出端與計(jì)算機(jī)的PCI接口的連接。基于上述裝置的利用積分球結(jié)合二極管激光吸收光譜技術(shù)的氣體濃度監(jiān)測(cè)方法，它由以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟一、將待測(cè)氣體充入積分球內(nèi)；采用調(diào)制正弦波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生調(diào)制正弦波信號(hào)；米用掃描鋸齒波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生掃描鋸齒波信號(hào)；步驟二、采用耦合器將步驟一中產(chǎn)生的調(diào)制正弦波信號(hào)和掃描鋸齒波信號(hào)進(jìn)行耦合，并將耦合后的信號(hào)輸入至電流控制器；步驟三、電流控制器根據(jù)步驟二中的耦合后的信號(hào)控制可調(diào)諧二極管激光器的工作電流參數(shù)和工作溫度參數(shù)，可調(diào)諧二極管激光器根據(jù)所述工作電流參數(shù)和工作溫度參數(shù)產(chǎn)生激光光束；
步驟四、采用準(zhǔn)直透鏡對(duì)步驟三產(chǎn)生的激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直，所述準(zhǔn)直后的激光光束通過(guò)積分球的入光孔入射進(jìn)積分球內(nèi)，并在積分球內(nèi)的待測(cè)氣體中進(jìn)行多次均勻散射形成均勻光場(chǎng)，同時(shí)與待測(cè)氣體相互作用，部分散射光通過(guò)積分球的出射孔出射；采用聚焦透鏡將多路反射光聚焦至光探測(cè)器的感光面；步驟五、采用調(diào)制正弦波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生TTL觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)采集卡實(shí)時(shí)采集光探測(cè)器輸出的信號(hào)；并輸入至計(jì)算機(jī)中；步驟六、計(jì)算機(jī)將采集卡發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲得吸收信號(hào)，將所述吸收信號(hào)根據(jù)比爾吸收定律和積分球等效路徑計(jì)算出待測(cè)氣體的濃度；實(shí)現(xiàn)利用積分球結(jié)合二極管激光吸收光譜技術(shù)的氣體濃度監(jiān)測(cè)。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其高靈敏度、低成本低、小型化程度好。本發(fā)明在繼承TDLAS技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，利用積分球延長(zhǎng)光程，進(jìn)一步提高探測(cè)靈敏度。由于積分球外觀緊湊，非常便于儀器的小型化，而且與多通池相比成本非常低廉。積分球?qū)θ肷浣菦]有要求，提高測(cè)量的穩(wěn)定性和重復(fù)性，同時(shí)還具有響應(yīng)速度快、可靠性高、維護(hù)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、在線監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。


圖I是本發(fā)明的利用積分球結(jié)合二極管激光吸收光譜技術(shù)的氣體濃度監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一、結(jié)合圖I說(shuō)明本具體實(shí)施方式
，利用積分球結(jié)合二極管激光吸收光譜技術(shù)的氣體濃度監(jiān)測(cè)裝置，它包括調(diào)制正弦波信號(hào)發(fā)生器I、掃描鋸齒波信號(hào)發(fā)生器
2、耦合器3、電流控制器4、可調(diào)諧二極管激光器5、準(zhǔn)直透鏡6、積分球7、聚焦透鏡8、光探測(cè)器9、采集卡10和計(jì)算機(jī)11;調(diào)制正弦波信號(hào)發(fā)生器I的調(diào)制正弦波信號(hào)輸出端與耦合器3的調(diào)制正弦波信號(hào)輸入端連接；掃描鋸齒波信號(hào)發(fā)生器2的掃描鋸齒波信號(hào)輸出端與耦合器3的掃描鋸齒波信號(hào)輸入端連接；耦合器3的耦合后信號(hào)輸出端與電流控制器4的耦合后信號(hào)輸入端連接；電流控制器4的控制信號(hào)輸出端與可調(diào)諧二極管激光器5的控制信號(hào)輸入端連接；
可調(diào)諧二極管激光器5發(fā)出激光光束，所述激光光束入射至準(zhǔn)直透鏡6，經(jīng)所述準(zhǔn)直透鏡6透射后通過(guò)積分球7的入光孔入射進(jìn)積分球7內(nèi)，并在積分球7內(nèi)多次反均勻散形成均勻光場(chǎng)，部分散射光通過(guò)積分球7的出射孔入射至聚焦透鏡8，經(jīng)所述聚焦透鏡8聚焦至光探測(cè)器9的感光面；所述光探測(cè)器9的電信號(hào)輸出端與采集卡10的電信號(hào)輸入端連接；調(diào)制正弦波信號(hào)發(fā)生器I的觸發(fā)信號(hào)輸出端與采集卡10的觸發(fā)信號(hào)輸入端連接；采集卡10的探測(cè)信號(hào)輸出端與計(jì)算機(jī)11的PCI接口的連接。所述的積分球外部包括進(jìn)光孔、出光孔、進(jìn)氣孔和出氣孔四個(gè)接口。工作原理本發(fā)明使用波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)方法將一個(gè)較高頻率的調(diào)制正弦波信號(hào)和一個(gè)低頻的掃描鋸齒波信號(hào)耦合加載到激光器的注入電流中，通過(guò)調(diào)整激光控制器的溫度和電流，使得激光器輸出的中心波長(zhǎng)能完整地掃描過(guò)待測(cè)氣體吸收線。激光通過(guò)積分球的入光孔進(jìn)入積分球內(nèi)，進(jìn)過(guò)多次均勻反射，在積分球內(nèi)部形成均勻光場(chǎng)，出射孔氣體的調(diào)制吸收信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)被數(shù)據(jù)卡采集，最終被送入計(jì)算機(jī)處 理，基于LabVIEW軟件編寫的軟件鎖相程序可以對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并得到其二次諧波分量的大小。根據(jù)Beer-Lambert定律和積分球等效路徑原理可以推導(dǎo)出被測(cè)氣體濃度信肩、O具體實(shí)施方式
二、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
一所述的利用積分球結(jié)合二極管激光吸收光譜技術(shù)的氣體濃度監(jiān)測(cè)裝置的區(qū)別在于，積分球7的內(nèi)壁涂有從可見波段到近紅外波段的高反膜。
具體實(shí)施方式
三、基于具體實(shí)施方式
一的利用積分球結(jié)合二極管激光吸收光譜技術(shù)的氣體濃度監(jiān)測(cè)方法，它由以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟一、將待測(cè)氣體充入積分球內(nèi)；采用調(diào)制正弦波信號(hào)發(fā)生器I產(chǎn)生調(diào)制正弦波信號(hào)；米用掃描鋸齒波信號(hào)發(fā)生器2產(chǎn)生掃描鋸齒波信號(hào)；步驟二、采用耦合器3將步驟一中產(chǎn)生的調(diào)制正弦波信號(hào)和掃描鋸齒波信號(hào)進(jìn)行耦合，并將耦合后的信號(hào)輸入至電流控制器4 ；步驟三、電流控制器4根據(jù)步驟二中的耦合后的信號(hào)控制可調(diào)諧二極管激光器5的工作電流參數(shù)和工作溫度參數(shù)，可調(diào)諧二極管激光器5根據(jù)所述工作電流參數(shù)和工作溫度參數(shù)產(chǎn)生激光光束；步驟四、采用準(zhǔn)直透鏡6對(duì)步驟三產(chǎn)生的激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直，所述準(zhǔn)直后的激光光束通過(guò)積分球7的入光孔入射進(jìn)積分球7內(nèi)，并在積分球7內(nèi)的待測(cè)氣體中進(jìn)行多次均勻散射形成均勻光場(chǎng)，同時(shí)與待測(cè)氣體相互作用，部分散射光通過(guò)積分球7的出射孔出射；采用聚焦透鏡8將多路反射光聚焦至光探測(cè)器9的感光面；步驟五、采用調(diào)制正弦波信號(hào)發(fā)生器I產(chǎn)生TTL觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)采集卡10實(shí)時(shí)采集光探測(cè)器9輸出的信號(hào)；并輸入至計(jì)算機(jī)11中；步驟六、計(jì)算機(jī)11將采集卡10發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲得吸收信號(hào)，將所述吸收信號(hào)根據(jù)比爾吸收定律和積分球等效路徑計(jì)算出待測(cè)氣體的濃度；實(shí)現(xiàn)利用積分球結(jié)合二極管激光吸收光譜技術(shù)的氣體濃度監(jiān)測(cè)。本實(shí)施方式中,Beer-Lambert定律和積分球等效路徑原理均為光學(xué)領(lǐng)域現(xiàn)有的常規(guī)技術(shù)。
本實(shí)施方式中，對(duì)于給定的一個(gè)積分球，則待測(cè)氣體濃度的表達(dá)式可以表不為N=3kAA/2 α MD式中N為積分球中待測(cè)氣體濃度，k為諧波信 號(hào)和直接吸收信號(hào)比例系數(shù)。Λ A諧波信號(hào)面積，α是待測(cè)氣體的吸收截面，M是積分球的反射系數(shù)，D為積分球的直徑。
權(quán)利要求
1.利用積分球結(jié)合二極管激光吸收光譜技術(shù)的氣體濃度監(jiān)測(cè)裝置，其特征是它包括調(diào)制正弦波信號(hào)發(fā)生器(I)、掃描鋸齒波信號(hào)發(fā)生器(2)、耦合器(3)、電流控制器(4)、可調(diào)諧二極管激光器(5)、準(zhǔn)直透鏡(6)、積分球(7)、聚焦透鏡(8)、光探測(cè)器(9)、采集卡(10)和計(jì)算機(jī)(11); 調(diào)制正弦波信號(hào)發(fā)生器(I)的調(diào)制正弦波信號(hào)輸出端與耦合器(3)的調(diào)制正弦波信號(hào)輸入端連接；掃描鋸齒波信號(hào)發(fā)生器(2)的掃描鋸齒波信號(hào)輸出端與耦合器(3)的掃描鋸齒波信號(hào)輸入端連接；耦合器(3)的耦合后信號(hào)輸出端與電流控制器(4)的耦合后信號(hào)輸入端連接；電流控制器(4)的控制信號(hào)輸出端與可調(diào)諧二極管激光器(5)的控制信號(hào)輸入端連接； 可調(diào)諧二極管激光器(5)發(fā)出激光光束，所述激光光束入射至準(zhǔn)直透鏡(6)，經(jīng)所述準(zhǔn)直透鏡(6 )透射后通過(guò)積分球(7 )的入光孔入射進(jìn)積分球(7 )內(nèi)，并在積分球(7 )內(nèi)多次均勻散射形成均勻光場(chǎng)，部分散射光通過(guò)積分球(7)的出射孔入射至聚焦透鏡(8)，經(jīng)所述聚焦透鏡(8)聚焦至光探測(cè)器(9)的感光面； 所述光探測(cè)器(9)的電信號(hào)輸出端與采集卡(10)的電信號(hào)輸入端連接；調(diào)制正弦波信號(hào)發(fā)生器(I)的觸發(fā)信號(hào)輸出端與采集卡(10)的觸發(fā)信號(hào)輸入端連接；采集卡(10)的探測(cè)信號(hào)輸出端與計(jì)算機(jī)(11)的PCI接口的連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用積分球結(jié)合二極管激光吸收光譜技術(shù)的氣體濃度監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于積分球(7)的內(nèi)壁涂有從可見波段到近紅外波段的高反膜。
3.基于權(quán)利要求I的利用積分球結(jié)合二極管激光吸收光譜技術(shù)的氣體濃度監(jiān)測(cè)方法，其特征是它由以下步驟實(shí)現(xiàn) 步驟一、將待測(cè)氣體充入積分球內(nèi)；采用調(diào)制正弦波信號(hào)發(fā)生器(I)產(chǎn)生調(diào)制正弦波信號(hào)；米用掃描鋸齒波信號(hào)發(fā)生器(2)產(chǎn)生掃描鋸齒波信號(hào)； 步驟二、采用耦合器(3)將步驟一中產(chǎn)生的調(diào)制正弦波信號(hào)和掃描鋸齒波信號(hào)進(jìn)行耦合，并將耦合后的信號(hào)輸入至電流控制器(4)； 步驟三、電流控制器(4)根據(jù)步驟二中的耦合后的信號(hào)控制可調(diào)諧二極管激光器(5)的工作電流參數(shù)和工作溫度參數(shù)，可調(diào)諧二極管激光器(5)根據(jù)所述工作電流參數(shù)和工作溫度參數(shù)產(chǎn)生激光光束； 步驟四、采用準(zhǔn)直透鏡(6 )對(duì)步驟三產(chǎn)生的激光光束進(jìn)行準(zhǔn)直，所述準(zhǔn)直后的激光光束通過(guò)積分球(7)的入光孔入射進(jìn)積分球(7)內(nèi)，并在積分球(7)內(nèi)的待測(cè)氣體中進(jìn)行多次均勻散射形成均勻光場(chǎng)，同時(shí)與待測(cè)氣體相互作用，部分散射光通過(guò)積分球(7)的出射孔出射；采用聚焦透鏡(8)將多路散射光聚焦至光探測(cè)器(9)的感光面； 步驟五、采用調(diào)制正弦波信號(hào)發(fā)生器(I)產(chǎn)生TTL觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)采集卡(10)實(shí)時(shí)采集光探測(cè)器(9)輸出的信號(hào)；并輸入至計(jì)算機(jī)(11)中； 步驟六、計(jì)算機(jī)(11)將采集卡(10)發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲得吸收信號(hào)，將所述吸收信號(hào)根據(jù)比爾吸收定律和積分球等效路徑計(jì)算出待測(cè)氣體的濃度；實(shí)現(xiàn)利用積分球結(jié)合二極管激光吸收光譜技術(shù)的氣體濃度監(jiān)測(cè)。
全文摘要
利用積分球結(jié)合二極管激光吸收光譜技術(shù)的氣體濃度監(jiān)測(cè)裝置及基于該監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)方法，涉及一種氣體濃度監(jiān)測(cè)裝置及基于該監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)方法。它是為了解決現(xiàn)有的氣體濃度監(jiān)測(cè)裝置的靈敏度低、小型化程度差的問題。本發(fā)明采用二極管激光器做為光源，其輸出光經(jīng)過(guò)一個(gè)準(zhǔn)直透鏡后由積分球的入光孔進(jìn)入積分球，積分球內(nèi)充有未知濃度的待測(cè)氣體，激光與氣體相互作用，同時(shí)在積分球內(nèi)經(jīng)過(guò)多次均勻散射后形成均勻光場(chǎng)，由積分球出光孔出射，出射光信號(hào)被聚焦透鏡聚焦到探測(cè)器光接收面上并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡采集，數(shù)據(jù)通過(guò)PCI接口輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，得出待測(cè)氣體濃度。本發(fā)明適用于氣體濃度監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/39GK102830088SQ20121031521
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月30日
發(fā)明者高強(qiáng), 張治國(guó), 曹文武 申請(qǐng)人:昆山昱翌輝華電子科技有限公司