[发明专利]一种采用声光效应准直光路的水中溶解气红外检测装置及方法

说明书

本发明提供一种采用声光效应准直光路的水中溶解气红外检测装置及方法，属于红外气体检测技术与应用领域，包括光学、电学、辅助和机械部分。光学部分包括光源模块、声光调制器、封闭式气室、光电探测模块，呈直线式光路结构，利用声光调制器智能调节光源模块的输出光束，从而实现光路准直；电学部分包括电源、光源驱动、声光驱动、气室控温、气室控压、数据采集、锁相放大、DSP处理器模、上位机通信模块；辅助部分为气泵模块；机械部分包括圆筒形密封外壳、上层平台、下层平台、前面板、后面板、24V电源输入口、通信线缆出口、气体出口、气体入口；本发明简化了传感器光学系统的复杂度，提高了仪器稳定性与便携性，更适用于水下工作环境。

技术领域

本发明属于红外气体检测技术与应用技术领域，具体涉及一种采用声光效应准直光路的水中溶解气红外检测装置及方法。

背景技术

天然气水合物作为有望替代化石燃料的21世纪新能源，广泛分布于世界各地的近海底沉积物中。在找到可行的开采方法之前，对天然气水合物以及相关物质的海底勘察是科学家们的重点研究课题。作为天然气水合物的分解逸出气体之一，海水中溶解的二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)、硫化氢(H₂S)浓度及其同位素丰度成为人们需要重点测量的对象。

在水下气体检测技术领域，目前常用的方法有地震反射法和化学传感器检测法；其中前者是利用水下逸出气泡对声波等信号的传播影响进行水下成像，缺点是不能对水下的溶解气体进行定量分析，后者需要首先进行水下采样，然后在陆上进行样本分析，缺点是无法保证气体检测的原位和实时性。

基于红外吸收光谱的气体检测技术是利用不同分子对特定的红外光谱的吸收作用，将气体的浓度信息转换成光信号，进而转换成电信号进行分析。采用可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)结合波长调制光谱(Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS)(TDLAS-WMS)技术测量气体浓度，其基本原理是：利用激光器波长的电流调谐和温度调谐特性，通过施加锯齿波电流扫描信号，使激光器的输出波长扫描待测气体的某一吸收峰，同时对激光器的波长进行正弦调制，根据二次谐波信号幅度(相对于调制信号频率)与气体浓度的相关性实施检测。该技术与目前常用的水下气体检测技术相比，具有灵敏度高、选择性好、可实时原位测量、具有长期稳定性等优点。然而，目前人们报道的基于TDLAS—WMS技术的气体检测装置，其光路部分结构复杂、体积庞大，当集成传感系统后，需要较大的体积空间，这样就无法形成便携式仪器；光路部分一般采用机械式准直方法，该方法对振动极其敏感，水下振动等不确定因素易造成光路失准，从而该类仪器无法用于水下环境，或者在水下环境中的工作性能变差乃至无法正常工作。因此为了适应水下密闭空间的高压、潮湿、振动等环境，需要优化光学、电学结构并缩小体积，这对水中溶解气体传感器的设计提出了更高的要求。

发明内容

针对水中溶解气的检测技术需求和现有TDLAS-WMS红外气体检测装置在光学设计上的不足，本发明提出了一种采用声光效应准直光路的水中溶解气红外检测装置及方法，该装置利用声光调制器对激光器输出光束相对于封闭式气室的入射角度进行电控调节，在向气室中通入标准气的情况下，通过程序自动判断所采集二次谐波信号的形状和幅值是否符合要求，依次反馈调整声光调制器的驱动信号，直至光路达到准直要求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：