[发明专利]基于超连续谱激光的气体检测装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，具体地说是一种基于超连续谱激光的气体检测装置和方法。

背景技术

气体检测方法大体包括两类：传统的化学方法和现代光谱学方法。传统的化学方法具有测量手段直接、测量精度高的优点，但是它需要对待测气体进行预先取样，操作繁琐、不具有时效性；现代光谱学方法作为一种光学检测手段，它具有选择性强、灵敏度高、响应时间快等优点，在环境检测中应用越来越为广泛。

吸收光谱法作为一种光学检测方法，其基本原理是光束通过待测气体后，经其吸收作用使光强减弱，根据吸收光强多少可以完成气体的定量分析。自20世纪60年代激光技术出现以来，由于激光具有很好的单色性、相干性和高亮性，激光吸收光谱技术以其不可替代的优势在光谱分析中占据重要地位。

目前光谱学检测技术主要有以下几种：差分吸收光谱学技术（DOAS）、傅里叶变换红外光谱技术（FTIR）、差分吸收激光雷达技术（DIAL）、激光光声光谱技术（PAS）和可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）。DOAS技术测量范围广、野外实验具有较大优势，但是它只适于对“窄带”吸收特征的痕量气体进行检测；FTIR技术探测的重复性低、运用范围广泛，但由于技术算法问题，响应时间较长，且设备尺寸重量大，不利于维护；DIAL技术检测范围广、作用距离远、可实现三维探测，缺点是系统复杂、实际应用受到限制；PAS技术在现场不稳定性情况下，其测量精度变化较大；TDLAS技术具有分辨率高、灵敏度高、响应时间快等特点，缺点是激光器可调谐范围较窄，需要对测量环境温度有高精度控制。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种基于超连续谱激光的气体检测装置，该装置结构简单，操作方便，不必对其测量温度进行高精度控制，且能实现对多种气体的快速、精确检测。

本发明的目的之二就是提供一种基于超连续谱激光的气体检测方法，该方法无需对测量温度进行高精度控制，且可实现对多种气体的快速、精确检测。

本发明的目的之一是这样实现的：一种基于超连续谱激光的气体检测装置，包括超连续谱激光器、光学滤波器、光阑、第三反射镜、第四反射镜、吸收池、光电探测器、数据采集卡和计算机；吸收池本身自带第一反射镜和第二反射镜。通过吸收池的进气口可向吸收池内通入待测气体，进气口与动态气体校准仪相接，动态气体校准仪通过通气管与气体瓶相接。

超连续谱激光器用于产生超连续谱激光，光学滤波器用于对超连续谱激光器所产生的超连续谱激光进行滤波，以使得滤波后的激光波长范围缩小，且能够被待测气体吸收。光阑、第三反射镜、第四反射镜、吸收池、动态气体校准仪、气体瓶和通气管构成光路与气路部分，光路与气路部分用于使滤波后的光信号按照预期的轨迹反射、吸收。光电探测器、数据采集卡和计算机构成检测接收与处理部分，检测接收与处理部分中的计算机还与光学滤波器相接，在计算机的控制下，可调节光学滤波器的滤波范围。经光路与气路部分反射、吸收后的光信号主要被检测接收与处理部分处理，具体是：吸收后的光信号被光电探测器转化为电压信号输出，数据采集卡将特征信号A/D转换后传输到计算机，通过LABVIEW软件编程对信号进行接收、MATLAB对数据处理，最终得到检测气体的种类和浓度数据。

超连续谱激光器主要包括主源、高功率放大器、超连续谱发生器和输出镜片；所述主源用于产生超连续谱脉冲激光，所述主源与所述高功率放大器之间通过隔离器相接；所述高功率放大器用于对所述主源输出的脉冲激光进行放大处理；所述超连续谱发生器用于对所述高功率放大器输出的激光的光谱进行展宽；所述输出镜片用于对所述超连续谱发生器输出的宽谱激光进行收集并输出。

上述装置可对吸收池内的密封气体进行检测，除此之外，本发明还提供了一种可对开放式光路中的气体进行检测的装置，该装置具体包括：超连续谱激光器、光学滤波器、光阑、若干反射镜、光电探测器、数据采集卡和计算机；待测气体为处于开放式光路中的气体。超连续谱激光器用于产生超连续谱激光，超连续谱激光依序通过光学滤波器、光阑、所述若干反射镜和光电探测器；光电探测器的输出端通过数据采集卡与计算机相接。超连续谱激光器所产生的超连续谱激光经光学滤波器和光阑后入射进所述若干反射镜；激光经所述若干反射镜后被反射多次，且反射过程中被开放式光路中的待测气体吸收部分能量；激光经所述若干反射镜后由光电探测器接收且转化为电压信号，数据采集卡将光电探测器输出的电压信号进行A/D转换后输出给计算机，计算机通过对接收到的数据进行处理，即可得出开放式光路中待测气体的种类和浓度。