[发明专利]一种免校准的激光光声光谱微量气体检测仪器及方法

说明书

本发明提供一种免校准的激光光声光谱微量气体检测仪器及方法，属于微量气体检测技术领域。该激光光声光谱微量气体检测仪器包括激光光源、光学准直器、光声池、光热转换元件、传声器、进气阀、出气阀、光源驱动、信号采集与处理电路和工控机。在传统气体吸收光声池中增加一个光热转换元件，产生的固体光声信号作为参考信号，并利用波长调制技术和2f/1f检测方法测量气体浓度，实现对在激光光源功率变化下的免校准气体浓度测量。本发明充分利用光声光谱的小采气量和可调谐二极管激光吸收光谱的免校准测量的优势，大幅度提高了激光光声光谱系统的对气体浓度测量的可靠性。本发明为高灵敏度和高可靠性微量气体检测提供一种极具竞争力的技术方案。

技术领域

本发明属于微量气体检测技术领域，涉及一种免校准的激光光声光谱微量气体检测仪器及方法。

背景技术

激光吸收光谱微量气体检测技术以其具备的高灵敏度、高选择性和工作寿命长等优点，已在电力装置故障特征气体分析、工业生产排放监测、煤矿易燃易爆气体监测和医学呼吸气体诊断等应用中发挥了重要作用。

由于红外光谱区域是部分气体分子的特征吸收光谱带，所以可以通过使用相应的激光光源来测量待测气体的浓度。可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)和激光光声光谱即是利用该原理进行气体检测的最常见方法，但这两种方法之间最大的差别在于TDLAS探测的是通过气体的透射光，而光声光谱探测的是气体的吸收光。这也就决定了TDLAS是有背景的吸收光谱技术，而光声光谱是无背景的吸收光谱技术。通常采用波长调制光谱(WMS)技术和二次谐波(2f)检测技术来提高检测灵敏度。但是，对于激光吸收光谱微量气体检测仪器，有很多情况会使光源的功率发生变化，比如光纤或激光器的老化、光纤连接过程的损耗等，而2f信号幅度还与光源功率成正比，使浓度测量产生较大的误差，降低了仪器的可靠性。为了减小误差，其中一种常用的方法是定期对仪器进行校准，但这大幅度增加了维护工作量。

为了实现免校准测量，在TDLAS微量气体检测系统中，利用吸收光谱中心的基波(1f)分量检测背景光信号，同时利用2f分量检测气体的吸收信号，1f信号与2f信号的幅度与光源光功率的强度均成线性关系，但1f信号幅度与气体浓度几乎无关，而2f信号幅度与气体浓度成正比，因此可以将2f测量的气体吸收信号与1f检测的背景光信号相除得到2f/1f信号，消除激光功率变化对气体浓度测量的影响。但是对于TDLAS系统，气体检测灵敏度与吸收程成正比，为了提高检测灵敏度，通常采用多程气体吸收池增加吸收程，但多程吸收池的体积通常大于1升，并且这种精密的光学结构降低了系统的稳定性和可靠性。

基于单程吸收光声池的激光光声光谱系统的检测灵敏度则与吸收程长度几乎无关，体积可以做到毫升量级，气体检测灵敏度却能达到ppm甚至ppb量级。但是传统的光声光谱的是一种无背景检测方法，吸收光谱中心的1f分量的幅度几乎为零，因此不能采用2f/1f方法实现免校准测量。因而，设计一种对激光光源功率变化免校准的光声光谱检测仪器具有重要的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种免校准的激光光声光谱微量气体检测仪器及方法，旨在解决目前激光光声光谱微量气体检测仪器中存在的激光光源功率的变化引起气体浓度测量误差增大的问题，为激光光声光谱技术在微量气体检测领域的应用中拓展更大的空间。

本发明的原理如下：在气体吸收光声池中增加一个光热转换元件，调制激光通过待测气体后，产生气体光声信号，剩余光能量被光热转换元件吸收后转换为热量，并使密闭光声池中的气体发生周期性的热胀冷缩，进而产生固体光声信号。

根据朗伯-比尔吸收定律，在α(v)LC＜＜1的条件下，可以得到经气体吸收后的光强为：

I_g(v)＝I₀(v)(1-exp(-α(v)LC))≈I₀(v)α(v)LC (1)

式中，I₀(v)是入射光强度，α(v)是吸收系数，L吸收程长度，C是气体的浓度。