[发明专利]一种免标定的气体浓度测量装置及方法

权利要求书

1.一种免标定的气体浓度测量装置，该测量装置包括可调谐半导体激光器(3)、激光控制器(2)、信号发生器(22)、计算机(1)、干涉仪(23)、第一光电探测器(21)和长光程气体吸收池(17)；其特征在于：该气体浓度测量装置还包括衰荡光谱测量装置，该装置包括衰荡腔(8)、第二光电探测器(13)和脉冲延迟器(15)以及声光调制器(6)；所述衰荡腔(8)与长光程气体吸收池(17)通过管路连接；所述可调谐半导体激光器(3)发出的激光束经过光隔离器(4)、分束器(5)后分为两束，一束经过第一光准直器(16)、长光程气体吸收池(17)、第一聚焦透镜(20)和第一光电探测器(21)后，经采集卡(14)采集；

另一束经过声光调制器(6)、第二光准直器(7)、衰荡腔(8)、第二聚焦透镜(12)和第二光电探测器(13)后分为两路，分别进入采集卡(14)和脉冲延迟器(15)；采集卡(14)采集的两路信号进入计算机(1)分析处理，并反馈给激光控制器(2)。

2.采用如权利要求1所述装置的一种免标定的气体浓度测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)根据待测气体种类，从光谱数据库中选取相应的吸收光谱谱线，其中心频率为v₀，谱线强度为S；长光程气体吸收池和衰荡腔通过连接管(24)连通，并充入待测气体，待测气体温度为T，压力为P；

2)通过计算机控制激光器的温度和电流，使激光波长在谱线中心频率v₀附近以三角波的形式扫描；入射到长光程气体吸收池前的瞬时入射光强度信号为I₀；穿过长光程吸收池后，瞬时透射光强信号为I_t；根据比尔-朗伯定律，I_t可表示为：

式中：L为气体吸收池有效光程，X为待测气体浓度，为待测气体谱线线型函数，利用干涉仪标定激光相对波长v，采用公式(1)对测量的I_t进行拟合即得到吸收率函数α(v)；

3)通过计算机控制激光器的温度和电流，使激光波长固定在谱线中心频率v₀处，利用压电陶瓷扫描衰荡腔的腔长；当第二光电探测器的接收光强最大时，脉冲延迟器发出脉冲信号，该信号使声光调制器瞬间关断激光，从而得到单指数式衰减的光强信号，对此信号进行拟合即得到衰荡时间τ：

式中：c为光速，为中心频率v₀处待测气体谱线线型函数，τ₀为空腔衰荡时间；根据步骤2)，得到则中心频率v₀处有将其代入公式(2)得到：

将测量的衰荡时间τ和中心频率v₀处的α(v₀)代入公式(3)即得到空腔衰荡时间τ₀，再将计算的τ₀代入公式(2)，即实现气体浓度X的测量。