[发明专利]同时测量两种或更多气体成份的波长调制光谱

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2006年10月28日提交的美国临时专利系列号60863367，题名为“Wavelength Modulation for Simultanious Measurement of Two or MoreGas Ingredients”的权益，该申请在此引入作为参考。

技术领域

本发明涉及波长调制光谱，特别涉及采用波长调制光谱同时测量两种或更多的气体成份的浓度。

背景技术

在许多应用如呼气测试中，需要测量样品区中两种或更多气体成分的浓度。在P.A.Martin发表于Chem.Soc.Rev.杂志2002年31卷，201-210页的“Near-infrared diode laser spectroscopy in chemical process and environmentalair monitoring”文章中，Martin总结了一些用于探测和监测气体种类的技术，并特别着墨在基于激光二级管的技术。红外吸收光谱法如FTIR(傅里叶变换红外光谱法)很多年来就已经被用于测量多种种类。然而FTIR的分辨率差，特别是对于某些气体，另外其测量速度也慢。在一些应用中，多种气体浓度的同时测量是通过使用多个气池并配于不同的光源来实现的，其中每个气池每次只测量一种气体的浓度。

基于激光二级管的技术如波长调制光谱法(WMS)也被用于测量气体的浓度并具有高灵敏度的优点。在典型的WMS中，光源的波长被调制的频率为f。当其光通过样品区时，部分光被目标气体成份吸收。这种吸收可用声波探测器(测量所产生的光声信号)或者光探测器(测量光通过样品区后的光强)来测量。对光源的波长调制将在探测器上产生调幅信号。来自探测器的信号随后可用频率v进行解调来输出吸收信息。当解调频率v选自调制频率f及其谐波时，该解调称为零差解调，否则称为外差解调。许多先前对WMS的研究努力集中在改进单个气体成份的测量灵敏度上。

在Silver和Bomse的发明中(“Wavelength modulation spectroscopy withmultiple harmonic detection”美国专利号6,356,350，2002年3月12日授权)，他们描述了一种对使用光探测器的WMS的改进型，通过使用激光波长步进装置(“激光扫描功能”装置)可测量存在一种光谱干扰情况下的一种气体的吸收线型。他们还陈述了他们的发明可被用于多种吸收组分的测量。然而他们的方法需要使用激光波长步进装置对波长调制期间的平均波长或中心波长在吸收线轮廓进行扫描，并且很费时。许多其它现有的WMS方法除波长调制之外也需要附加的扫描机制(以改变波长调制期间的平均波长或中心波长)来测量两种或更多的气体成份。本发明在波长调制之外无需任何附加的扫描机制。Bomse描述了一种对使用光探测器的外差解调法的WMS的改进型(“Phaseless wavelength modulation spectroscopy”美国专利号5,973,782，1999年10月26日授权)。在他的发明中，他也陈述了其发明的优点之一是在同时探测几种气体中有潜在的应用。然而他未提供如何进行探测的详细描述，也未讨论他的发明在多种气体探测中的适用条件和局限性。气体的光吸收线型特征通常受到许多因素诸如样品区温度、压强和气体组分的影响。本发明提供了对使用光探测器或声波探测器的零差解调或外差解调法的WMS的改进型，可同时测量两种或更多的气体成份的浓度或浓度比。一般地说，零差解调方法有较好的信噪比，也较容易实现。

在基于激光二级管的WMS中，激光的波长在一段波长范围内调制。通常是在保持激光二级管恒温的条件下通过调制其电流来实现激光波长的调制。Pilgrim和Bomse描述了一种用于光声光谱仪中的WMS的台阶型激光波长调制波形。(“Wavelength modulated photoacoustic spectrometer”美国专利号6,552,792B1，2003年4月22日授权)。然而这种波长波形在实际应用中很难实现，因为当激光二级管不是工作在直流模式时，激光二级管的波长不仅取决于其电流，而且还取决于其电流的历史曲线。台阶形的电流波形不会产生台阶形的波长波形。例如，当激光二级管被方波电流驱动在高电流和低电流时段都产生激光时，其波长将在该方波中的低电流或高电流时段扫描过一段波长范围，而且波长的扫描速率在高或低电流时段都不是时间的线性函数。