本實(shí)用新型涉及工業(yè)汞排放在線監(jiān)測領(lǐng)域，特別是涉及一種基于波長調(diào)制技術(shù)的氣態(tài)元素汞濃度檢測裝置。

背景技術(shù)：

汞是一種對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)以及肝臟非常有害的化學(xué)物質(zhì)，而大氣中的汞污染30%來自人為排放，特別是燃煤熱電廠的廢氣排放。為了減少汞對(duì)環(huán)境和人類健康的有害影響，2013年包括中國在內(nèi)的100多個(gè)國家共同簽署了《關(guān)于汞的水俁公約》。

無論是對(duì)工業(yè)汞氣排放的實(shí)時(shí)監(jiān)督還是對(duì)脫汞效率的有效評(píng)估，準(zhǔn)確、高效的測汞技術(shù)都是不可或缺的。傳統(tǒng)的汞氣測量技術(shù)采用安大略法，屬于濕化學(xué)法，這種方法具有很高的靈敏度，但需要長時(shí)間反應(yīng)，無法得到實(shí)時(shí)的汞元素濃度信息。目前，市場上成熟的汞蒸氣濃度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測產(chǎn)品都基于光學(xué)原理，主要包括冷原子吸收光譜法和冷原子熒光光譜法。這兩種技術(shù)均采用汞燈作為光源，但是汞燈的使用壽命短（2000個(gè)小時(shí)），導(dǎo)致系統(tǒng)維護(hù)頻次高，成本也高。

專利號(hào)為ZL201210055105的發(fā)明專利，公開了一種基于二極管激光的汞氣連續(xù)監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)元素汞蒸氣的濃度實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測，但這套系統(tǒng)存在一個(gè)問題，即對(duì)激光器的調(diào)制頻率處在低頻，容易受周圍環(huán)境噪聲影響，導(dǎo)致信噪比不夠高，檢測極限不夠低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型主要解決的技術(shù)問題是提供一種基于波長調(diào)制技術(shù)的氣態(tài)元素汞濃度檢測裝置，針對(duì)現(xiàn)有的基于汞燈的汞氣監(jiān)測技術(shù)所面臨的光源壽命短導(dǎo)致維護(hù)成本高的問題，解決現(xiàn)有的基于和頻激光的汞氣監(jiān)測技術(shù)所面臨的信噪比不夠高以及檢測極限不夠低的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的一個(gè)技術(shù)方案是：提供一種基于波長調(diào)制技術(shù)的氣態(tài)元素汞濃度檢測裝置，包括：偏硼酸鋇晶體、凸透鏡和三棱鏡，所述凸透鏡設(shè)置在偏硼酸鋇晶體和三棱鏡之間，所述基于波長調(diào)制技術(shù)的氣態(tài)元素汞濃度檢測裝置還包括紅光半導(dǎo)體激光器、藍(lán)光半導(dǎo)體激光器、二色向鏡、消色差凸透鏡、紫外高反鏡、氣室、光電倍增管、鎖相放大器和信號(hào)控制分析器，所述信號(hào)控制分析器的電流與溫度控制輸出端分別連接所述紅光半導(dǎo)體激光器和藍(lán)光半導(dǎo)體激光器的電流與溫度控制輸入端，所述藍(lán)光半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束經(jīng)二色向鏡反射出第一光束，所述紅光半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束經(jīng)二色向鏡透射出第二光束，所述消色差凸透鏡設(shè)置在二色向鏡和偏硼酸鋇晶體之間使得第一光束和第二光束重合并打在消色差凸透鏡上后聚焦到偏硼酸鋇晶體中心，所述紫外高反鏡設(shè)置在三棱鏡一側(cè)使得三棱鏡色散出的紫外光經(jīng)紫外高反鏡反射通過氣室，所述氣室設(shè)置在光電倍增管和紫外高反鏡之間，所述光電倍增管的電信號(hào)輸出端與鎖相放大器的電信號(hào)輸入端相連接，所述鎖相放大器的輸出端與信號(hào)控制分析器的接收端相連接。

在本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述紅光半導(dǎo)體激光器的控制電流由兩種信號(hào)疊加而成，一種為三角波，頻率在1~20Hz；一種為正弦波，頻率在1kHz~20kHz，幅值為三角波幅值的0.1~0.5倍。

在本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述鎖相放大器的鎖相頻率為紅光半導(dǎo)體激光器的控制電流中正弦波頻率的2倍。

在本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述紫外高反鏡在253~255nm反射率不低于95%，在395~415nm和650~710nm處反射率小于10%。

在本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述凸透鏡為JGS1熔融石英凸透鏡。

在本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述三棱鏡為JGS1熔融石英三棱鏡。

在本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述光電倍增管的感光面上設(shè)置有紫外干涉濾光片。

在本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述紫外干涉濾光片的透過曲線半峰寬小于20nm，254nm處透過率大于10%，395~415nm和650~710nm處的透過率小于0.01%。

在本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述光電倍增管為日盲型光電倍增管，其探測器的輸出光電流經(jīng)跨阻放大后在254 nm處的響應(yīng)率大于100 mV/nW，3dB帶寬大于20kHz。

在本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述偏硼酸鋇晶體的出射光經(jīng)凸透鏡準(zhǔn)直后被三棱鏡分光分成三束，依次為紅光、藍(lán)光和紫外光。

本實(shí)用新型的有益效果是：本實(shí)用新型指出的一種基于波長調(diào)制技術(shù)的氣態(tài)元素汞濃度檢測裝置，使用波長調(diào)制與鎖相放大技術(shù)，將探測信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)移到高頻波段，從而降低了低頻噪聲的影響，提高了信噪比，提高了檢測精度，使用鎖相放大器的輸出直接關(guān)聯(lián)濃度，算法簡單，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)算能力要求低，容易實(shí)現(xiàn)，可以達(dá)到的氣態(tài)元素汞最低檢測限低于0.1μg/m3，響應(yīng)時(shí)間小于10s，滿足工業(yè)廢氣排放中汞含量實(shí)時(shí)監(jiān)測的要求，適用于工業(yè)汞氣排放實(shí)時(shí)監(jiān)測領(lǐng)域。

附圖說明

為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖，其中：

圖1是本實(shí)用新型一種基于波長調(diào)制技術(shù)的氣態(tài)元素汞濃度檢測裝置一較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本實(shí)用新型的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱圖1，本實(shí)用新型實(shí)施例包括：

一種基于波長調(diào)制技術(shù)的氣態(tài)元素汞濃度檢測裝置，包括：偏硼酸鋇晶體5、凸透鏡6和三棱鏡7，所述凸透鏡6設(shè)置在偏硼酸鋇晶體5和三棱鏡7之間，所述基于波長調(diào)制技術(shù)的氣態(tài)元素汞濃度檢測裝置還包括紅光半導(dǎo)體激光器1、藍(lán)光半導(dǎo)體激光器2、二色向鏡3、消色差凸透鏡4、紫外高反鏡8、氣室9、光電倍增管10、鎖相放大器和11信號(hào)控制分析器12，所述紫外高反鏡8在253.7nm時(shí)的反射率不低于95%，在395~415nm和650~710nm處反射率小于10%。

所述信號(hào)控制分析器12的電流與溫度控制輸出端分別連接所述紅光半導(dǎo)體激光器1和藍(lán)光半導(dǎo)體激光器2的電流與溫度控制輸入端，所述藍(lán)光半導(dǎo)體激光器2發(fā)出的光束經(jīng)二色向鏡3反射出第一光束，所述紅光半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的光束經(jīng)二色向鏡3透射出第二光束，所述消色差凸透鏡4設(shè)置在二色向鏡3和偏硼酸鋇晶體5之間使得第一光束和第二光束重合并打在消色差凸透鏡4上后聚焦到偏硼酸鋇晶體5中心，所述紫外高反鏡8設(shè)置在三棱鏡7一側(cè)使得三棱鏡色散出的紫外光經(jīng)紫外高反鏡8反射通過氣室9，所述氣室9設(shè)置在光電倍增管10和紫外高反鏡8之間，氣室9中充入待測氣體。

所述光電倍增管10的電信號(hào)輸出端與鎖相放大器11的電信號(hào)輸入端相連接，所述光電倍增管10為日盲型光電倍增管，其探測器的輸出光電流經(jīng)跨阻放大后在254 nm處的響應(yīng)率大于100 mV/nW，3dB帶寬大于20kHz。光電倍增管10將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并輸送到鎖相放大器11中，所述鎖相放大器11的輸出端與信號(hào)控制分析器12的接收端相連接。鎖相放大器11輸出信號(hào)被信號(hào)控制分析器12采集并加工處理，最終得到元素汞蒸氣濃度。

工作原理：信號(hào)控制分析器12提供給紅光半導(dǎo)體激光器1一個(gè)低頻三角波與高頻正弦波的疊加信號(hào)，低頻三角波頻率為1~20Hz，主要功能是通過調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)激光器輸出波長，高頻正弦波頻率為1k~20kHz，幅值為三角波幅值的0.1~0.5倍范圍內(nèi)，主要功能是對(duì)激光器輸出進(jìn)行高頻調(diào)制。藍(lán)光激光器2的控制電流為恒流。紅光半導(dǎo)體激光器1在掃描的過程中，在中心電流強(qiáng)度處的輸出波長λ₁與藍(lán)光激光器2輸出波長λ₂存在以下關(guān)系：

波長的單位為納米。

兩束重合的激光聚焦于偏硼酸鋇晶體5（BBO晶體）的中心，并在偏硼酸鋇晶體5中完成和頻轉(zhuǎn)換過程，生成波長253.7nm的紫外激光。消色差凸透鏡4的作用是將紅光與藍(lán)光激光聚焦到一點(diǎn)，提高基頻光的空間光功率密度，從而提高和頻轉(zhuǎn)換效率。偏硼酸鋇晶體5后面出射的光束包含紅光、藍(lán)光與紫外光三個(gè)波長，經(jīng)過凸透鏡6準(zhǔn)直，再經(jīng)過三棱鏡7色散后，僅紫外光被紫外高反鏡8反射，并通過氣室9，最終被光電倍增管10接收，光電倍增管10的電信號(hào)經(jīng)過鎖相放大器11解調(diào)，并在信號(hào)控制分析器12中計(jì)算出汞蒸氣濃度。

所述凸透鏡6和三棱鏡7的材料為為JGS1熔融石英。JGS1熔融石英是用液體四氯化硅在高純度氫氧焰中直接熔化成高質(zhì)量的光學(xué)石英玻璃，可以做到完全無氣泡，具有優(yōu)良的透紫外性能，特別是在短波紫外區(qū)，其透過性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)地勝過所有其他玻璃，在185mμ處的透過率可達(dá)85％，光學(xué)性好，透過率高。

所述光電倍增管10的感光面上設(shè)置有紫外干涉濾光片，所述紫外干涉濾光片的透過曲線半峰寬小于20nm，254nm處透過率大于10%，395~415nm和650~710nm處的透過率小于0.01%。

實(shí)施例1：一種基于波長調(diào)制技術(shù)的氣態(tài)元素汞濃度檢測裝置按如下方法測量樣品氣池中的汞氣濃度：

步驟一，氣室9中充入待測氣體，得到二次諧波幅值A(chǔ)₀；

步驟二，根據(jù)下式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)濃度線：

C=kA₀+b

其中k和b為定標(biāo)時(shí)得到的最佳擬合參數(shù)，C為氣室中汞蒸氣的濃度。

綜上所述，本實(shí)用新型指出的一種基于波長調(diào)制技術(shù)的氣態(tài)元素汞濃度檢測裝置，提高了信噪比和檢測精度，滿足了工業(yè)廢氣排放中汞含量實(shí)時(shí)監(jiān)測的要求。

以上所述僅為本實(shí)用新型的實(shí)施例，并非因此限制本實(shí)用新型的專利范圍，凡是利用本實(shí)用新型說明書內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其它相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本實(shí)用新型的專利保護(hù)范圍內(nèi)。