[发明专利]一种光程在线标定式腔增强型大气痕量气体探测系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用光学腔探测气体浓度的检测装置，更具体地说是一种具有光程在线标定功能的腔增强型大气痕量气体高灵敏度探测的点式测量仪器。

背景技术

基于光学方法的差分吸收光谱技术(DOAS)目前已成为大气痕量气体监测的常用方法。它具有响应速度快、无接触测量以及可实现多组份同时在线监测等特点。大气中痕量气体的浓度通常在ppbv甚至是pptv量级，对于DOAS技术来说，可通过增加吸收光程来提高探测灵敏度。目前较为常用的长光程DOAS仪器，其测量光程可达几公里甚至是几十公里，探测灵敏度能达到pptv量级。但这种测量仪器受大气湍流和天气影响较大，雾天或沙尘天气无法进行测量，不能满足对大气痕量气体进行连续监测的要求。

基于非相干宽带腔增强吸收光谱技术(IBBCEAS)的大气痕量气体探测方法，它利用入射光在光学腔内来回反射来增加吸收光程，从而达到提高探测灵敏度的目的。然而，基于光学腔的光程增加方式不同于传统的多次反射池，其光程不能通过光斑个数得到，而且光程也不是一个恒定值，与所使用的镜片反射率有关。现有的IBBCEAS装置在测量大气痕量气体浓度之前，需要预先标定出吸收光程，之后再进行光谱测量和浓度反演。然而，现有的光程标定方式是离线式的，即无法做到一边实际大气测量一边光程标定，只能定期来标定光程。由于在连续测量过程中镜片反射率会发生退化，导致光程发生变化，而何时出现退化却无法预知，因此离线式的定期标定就无法及时获取准确的光程信息，从而导致某段时间内的测量结果出现偏差，这样也就不能保证大气痕量气体得到长时间连续精确测量的目的。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种光程在线标定式腔增强型大气痕量气体探测系统，能够实现被测气体吸收光程在线标定功能，满足对大气痕量气体进行高灵敏度长时间连续准确实时监测的目的。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种光程在线标定式腔增强型大气痕量气体探测系统，包括：光源驱动装置1、光源2、带通滤光片3、第一非球面透镜4、第一光阑5、光学腔6、第二光阑7、第二非球面透镜8、一分二型光纤束9、光谱探测器10和光衰减信号检测装置11；其中，光学腔6由两块高反射率平凹反射镜组装而成，反射膜在凹面，两凹面相对视，光学腔6是封闭的，并留有进气孔和出气孔；光源2经光源驱动装置1驱动后发光，发出的光通过带通滤光片3滤去测量波段以外的光后，经过第一非球面透镜4准直，并经第一光阑5限制孔径后耦合进入光学腔6内，光在腔内来回多次发射增加吸收光程，从光学腔6另一侧透射出去的光，经第二光阑7限制孔径后被第二非球面透镜8聚焦到一分二型光纤束9的入射端面a上，光纤束的一个出射端b接光谱探测器10，另一出射端c接光衰减信号检测装置11。

所述的光源驱动装置1由窄脉冲电流源、恒定电流源和电子开关组成，在电子开关的控制下，选择窄脉冲电流源或恒定电流源驱动光源2发光。当采用窄脉冲电流驱动光源发光时，从光学腔6透射出去的光强随时间呈衰减变化，此衰减光强由光衰减信号检测装置11检测，检测结果反映被测气体的吸收光程；当选择恒定电流驱动时，从光学腔6透射出去的光由光谱探测器10进行采集，其采集结果反映被测气体的柱浓度，将柱浓度除以吸收光程，便得到被测气体的浓度值。由于吸收光程的获取不需要改变测量光路和装置，只需将光源驱动方式切换到窄脉冲电流驱动下即可，所以吸收光程的标定是在线式的。

所述光衰减信号检测装置11由光电倍增管、信号放大器和数据采集器组成，该装置用于在线标定气体测量时的吸收光程。其中，光电倍增管的感光窗口对准一分二型光纤束9的出射端面c，光信号经光电倍增管转换成电流信号后，从光电倍增管的输出端输出，输出的电流信号接到信号放大器的输入端，信号放大器的输出端接数据采集器的输入端，信号被数据采集器采集后得到光信号衰减时间τ(τ表示光从初始光强衰减到1/e时所需的时间，其中e是自然对数函数的底数，e≈2.71828)，将衰减时间τ乘以光速c便得到吸收光程。

所述的两块高反射率平凹镜的反射率大于99.9%。

所述光源2为半导体发光二极管，光源辐射光谱的半高宽在15nm至30nm之间。

所述的一分二型光纤束9入射一端a由五芯光纤组成，出射一端由b是单芯光纤，出射另一端c是四芯光纤。从光学腔6出射的光斑是圆形的，处于中间位置的单芯光纤可以收集到尽量多的光信号，从而增加光谱测量时的信噪比。而光电倍增管具有极高的光电响应能力，分布在单芯四周的四芯光纤只要能收集到少部分光即可满足测量要求。