[发明专利]基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光光谱检测和气体检测技术领域，具体为一种基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置及方法。

背景技术

传统的气体成分检测方法主要有化学方法和光学方法。化学方法通常需要对待分析物进行预处理，过程复杂、耗时，易破坏样品的原状态及产生二次污染物；光学光谱方法具有非接触性、非破坏、选择性强和响应快等优点，可实现实时原位的连续分析，使得其被广泛地应用于大气环境监测、工业处理控制、燃烧成分检测和呼吸气体诊断等领域。

常用的光学光谱方法有直接吸收光谱法和波长调制光谱法。直接吸收光谱法是一种基于朗伯-比尔定律的直接检测方法，该方法通过分析光强的微弱变化量，即可反演出被检测样品的浓度、速度、温度等信息，但存在易受各种电子学和光学噪声干扰、灵敏度有限等缺点。波长调制光谱是结合锁相检测原理，实现抑制噪声的高灵敏度间接检测方法，但需要通过已知浓度样品校正后(标气校正)，才能获取其他未知样品的浓度信息，较为复杂。

中红外光谱区(2.5-25μm)包含了大多数气体分子振转能级的基频带，成为高灵敏度痕量气体检测的理想波段。量子级联激光器(QCL)作为一种新型的半导体激光，具有体积小、寿命长、功耗低、线宽窄、功率相对较高和易于集成的特点，已成为中红外痕量气体传感器研究的理想光源。QCL的宽波长调谐范围和快速响应特性可实现对多种气体分子的同时高分辨率、高灵敏度检测。相比于传统的基于多个近红外激光器分时扫描的激光时分多路探测技术才能实现多种气体同时分析的方法，系统更紧凑，有效测量周期更高。

现有的研究中，利用量子级联激光器作为光源，单独采用直接吸收光谱法或波长调制光谱法进行气体检测都已得到实际应用，如：中国专利公开号分别为CN102175641A和CN104596987A的发明专利。前者公开了一种基于中外红量子级联激光器直接吸收光谱法的痕量气体检测装置及方法，该方法利用脉冲量子级联激光器作为光源，单独采用直接吸收光谱法，存在易受各种电子学和光学噪声干扰、灵敏度有限、气体浓度反演方法可靠性和测量精度低等缺点；后者公开了一种基于中红外光谱的长光程开放光路结合波长调制技术的痕量气体探测方法和装置，该方法利用连续量子级联激光器作为光源，单独采用波长调制光谱法，存在需要额外标气频繁校正、高压下压力加宽效应降低灵敏度和可靠性等缺点。

实际应用中上述两种传统方法都不够理想。本发明拟采用同时利用直接吸收光谱法和波长调制光谱法对气体进行检测，此种方法能够克服只采用一种光谱方法进行气体检测时所存在的缺陷，到目前为止，尚未发现任何关于同时采用上述两种基于量子级联激光光谱方法对单一成分气体或者多组分气体进行检测的研究。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种以室温下工作的连续模式中红外量子级联激光器作为光源，同时利用直接吸收光谱法和波长调制光谱法，无需外界标气校正、高灵敏度、高精度的气体检测装置及方法。

为实现以上技术目的,本发明的技术方案是：

基于两种量子级联激光光谱的多组分气体同时检测装置，包括任意波函数发生器、室温连续模式中红外量子级联激光器、聚焦准直三维调节系统、第一反射镜、样品吸收池、离轴抛物面镜、第一探测器、数据采集单元和计算机，所述室温连续模式中红外量子级联激光器具有温度控制单元和电流控制单元；

所述任意波函数发生器输出只在任意半周期内叠加调制信号的周期性信号作为室温连续模式中红外量子级联激光器的电流驱动信号，所述电流驱动信号通过电流控制单元对室温连续模式中红外量子级联激光器的注入电流进行驱动；

所述室温连续模式中红外量子级联激光器作为光源发出激光信号；

所述聚焦准直三维调节系统对激光信号进行聚焦准直,所述聚焦准直三维调节系统由两个平面反射镜和一个离轴抛物面镜组成，两个反射镜成45度放置，整体三维可调；

所述第一反射镜将聚焦准直后的激光信号耦合到样品吸收池；

所述样品吸收池充有待测气体，所述激光信号在样品吸收池内被气体分子吸收后出射到离轴抛物面镜；

所述离轴抛物面镜将激光信号聚集到第一探测器；

所述第一探测器将接收到的激光信号通过数据采集单元转化为电信号并传输给计算机；

所述计算机对电信号进行分析处理，对不带调制信号的进行直接吸收光谱分析，对带有调制信号的进行波长调制光谱分析，利用直接吸收光谱反演出气体浓度信息为波长调制光谱分析气体浓度信息过程提供校正，校正后即可通过波长调制光谱反演出待测样品浓度信息得出待测气体信息。