[发明专利]红外激光光谱痕量水汽检测系统及其检测方法

说明书

技术领域

本发明属于气体浓度检测技术领域，具体涉及一种红外激光光谱痕量水汽检测系统及其检测方法。

背景技术

工业过程常涉及高浓度过程气体，如冶金行业的制酸过程高浓度SO2气体、半导体工业中高纯度NH3气体等，为了保证产品质量和设备安全，需要尽可能提高气体纯度，降低杂质成分含量，其中水汽是最为常见的杂质气体，如制酸过程高浓度SO2气体中水汽杂质会导致催化剂失效和管道设备腐蚀，半导体工业中高纯度NH3气体中水汽杂质会影响半导体的光电，降低最终产品的质量。因此，针对工业过程高浓度气体中痕量水汽高灵敏测量方法与仪器具有显著需求。

露点分析仪器是目前水汽测量的主要设备，但露点分析仪器无法应用于工业腐蚀性气体中痕量水汽的在线检测。红外激光光谱法是目前最新的痕量水汽在线检测技术，其非接触、长寿命优点特别适合于工业环境痕量水汽在线测量。专利CN104280362A提出一种高温水汽激光光谱在线检测系统，针对高温环境水汽光谱检测的光谱修正问题，通过水汽两条吸收谱线的同时检测实现水汽温度的同时检测，实现光谱同步温度修正和水汽浓度的精确测量。但基于单线分析的红外激光光谱技术需要对水汽一条不受背景气体成分干扰的孤立谱线，通常检测条件下这种要求较容易满足，但在高浓度背景气体下，微弱背景气体分子吸收谱线也会对痕量水汽检测造成干扰，特别是对于NH3和SO2这类在水汽光谱检测的近红外光谱区具有较高谱线密度作为背景气体的情况下，测量精度受到较大限制。同时，水汽也是环境大气的主要成分，受到光路设计的限制，样品区外检测光路的水汽干扰也会对红外激光光谱法应用于工业高纯气体中痕量水汽测量造成影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对工业领域高纯度过程气体中痕量水汽高灵敏检测的红外激光光谱痕量水汽检测系统及其检测方法，消除背景气体光谱和环境水汽干扰，满足工业过程高浓度气体中痕量水汽杂质在线检测应用需求。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：一种红外激光光谱痕量水汽检测系统，包括红外半导体激光器，所述红外半导体激光器发出的光束经分束器分束成光强比例为1:1的检测光和参考光，所述检测光和参考光分别入射到检测吸收池和参考吸收池，所述检测吸收池和参考吸收池为光程相同的两个多次反射光学吸收池，所述检测吸收池设有进气口和出气口，检测样气通过进气口进入吸收池，并由出气口流出，所述参考吸收池中密封有一个大气压的与检测样器的背景气体种类相同的高纯标准气体，检测光和参考光通过吸收池后，分别由第一光电探测器和第二光电探测器进行光电转换，并将信号发送至信号采集处理模块得到检测光谱信号和参考光谱信号；系统还包括信号发生电路和半导体激光器控制模块，所述信号发生电路分别向半导体激光器控制模块和信号采集处理模块输出锯齿波信号，所述半导体激光器控制模块将该锯齿波信号与红外半导体激光器的激光器驱动电流叠加，实现输出波长在设定波长范围内周期性连续扫描；

以及一种应用上述系统进行检测的检测方法，包括以下步骤：

光谱归一化，分别用检测光谱信号S₀(n)和参考光谱信号R₀(n)顶端没有气体吸收的n₀个数据点进行平均获取信号强度参数值S_0m和R_0m，用于对检测光谱信号S₀(n)和参考光谱信号R₀(n)归一化计算，得到归一化检测光谱信号S(n)和参考光谱信号R(n)：