[发明专利]基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置及方法

说明书

本发明提供了一种基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置及方法，装置包括恒流驱动模块、宽带红外光源、第一凸透镜、气室、进气管、出气管、第二凸透镜、压力控制器、气泵、光栅模块、PZT、PZT驱动模块、探测器、锁相放大器、数据采集卡、微控制器。方法包括利用光栅模块对气体吸收后的宽带红外光信号进行精密分光处理，同时利用PZT对出射光信号进行扫描/调制式的“筛选”处理并输出探测，再利用锁相放大器提取出二次谐波信号表征气体浓度。本发明还提供了宽带红外光源的归一化输出光谱进行测试及定标的辅助装置和方法。本发明为研制基于宽带红外光源的低成本、高选择性与高灵敏的调制吸收光谱气体检测装置提供了新型解决方案。

技术领域

本发明属于红外气体检测技术领域，尤其是涉及一种基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置及方法。

背景技术

红外吸收光谱技术是检测气体的关键技术之一，该技术利用气体分子对红外光的吸收作用实施探测，具有灵敏度高、精度高、调校周期长、寿命长、选择性好等优点。目前，在红外吸收光谱技术中，可调谐吸收光谱法(TAS)是利用波长可调谐的半导体激光光源，又称为分布反馈光源，通过扫描和调制激光光源的驱动电流，使其发光波长扫过待测气体的吸收峰，再利用锁相放大技术从探测器的输出信号中提取出2倍于调制信号频率的二次谐波信号，根据该二次信号的幅度来表征待测气体的浓度。由于目前该技术主要采用激光二极管或激光器，因此又被称为可调谐激光二极管吸收光谱法(TDLAS)。

目前，人们采用中红外波段(4-20微米)的量子级联激光器(QCL)、中红外波段(2.5-6微米)的带间级联激光器(ICL)和近红外波段(0.8-2.5微米)的量子阱激光器或激光二极管(LD)报道了波长调制吸收光谱气体检测装置，其原理在于半导体激光器的发光波长随其工作温度和工作电流的变化特性。然而，采用半导体激光器研制红外气体检测装置面临的主要问题是半导体激光器的昂贵的价格，尤其是中红外波段的激光器，价格达1万美元以上，难以实用化。相比半导体激光器，宽带红外光源，包括红外热辐射光源或发光二极管，价格低廉、发光波长呈宽波段特征，也成为红外气体检测中的重要光源，人们一般采用该光源研制了非分散红外吸收光谱(NDIR)气体检测装置。然而，由于宽带红外光源不具有窄线宽、波长调谐特性，人们很难利用该类光源建立调制吸收光谱气体检测装置；同时，该类光源的宽带特性使得NDIR气体检测装置无法具有较好的选择性。

发明内容

与目前普遍采用的基于半导体激光器的调制吸收光谱气体检测技术与装置不同，本发明公开了一种基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置及方法，在不改变宽带光源出射光参数的情况下，对气体吸收后的宽带光波信号进行光栅分光和扫描/调制式的“筛选”处理，实现了一种调制吸收光谱气体检测技术，克服了现有基于半导体激光器的TDLAS检测技术成本高以及现有基于宽带光源的NDIR传感器选择性差、分辨率低的缺点，为研制基于宽带红外光源的低成本、高选择性与高灵敏的调制吸收光谱气体检测装置提供了新型解决方案。

针对现有技术的不足，本发明采取的技术方案是：

基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置，包括宽带红外光源，检测装置还包括控制模块、第一凸透镜、第二凸透镜、气室、光栅模块、探测器、PZT微位移器；

所述控制模块包括微控制器、恒流驱动模块、数据采集卡、锁相放大器，所述气室包括第一窗口、第二窗口、进气管、出气管、压力控制器、气泵，所述光栅模块包括第一不透光挡板、第二不透光挡板、反射光栅、第一平凹镜、第二平凹镜，第一不透光挡板上设有第一狭缝，第二不透光挡板上设有第二狭缝，所述PZT微位移器包括PZT、PZT驱动电路、扫描信号产生电路、加法器电路、调制信号产生电路；