[发明专利]一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测方法

说明书

本发明公开了一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测方法。采用单光路吸收峰解调方法设计检测装置，从密封气孔充入被测气体，根据激光器的电流、温度调谐特性，使用低频率梯形波进行扫描，并叠加高频正弦波作为载波进行调制。由激光器发出的经调制后的激光经光束耦合器耦合进光学球形腔内，在腔内经过多次反射被被测气体吸收，然后由光束耦合器引出至光电探测器，转为电信号，然后经锁相放大器通过改进的吸收峰提取算法，配合功率归一化系数解调出吸收信号，由上机位反演出气体浓度并保存。本方法具备高灵敏度、高分辨率、多组分气体同时实时连续在线检测的优势，能广泛应用于公共环境、医疗等领域。

技术领域

本发明属于气体检测领域，具体涉及一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测方法。

背景技术

呼出内源性气体具有与人体生理代谢密切相关的标志性信息，通过检测相应呼出气体成分与浓度可对疾病进行快速无创诊断。可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)作为一种高灵敏度、高特异性及测量系统简单稳定的光谱学测量方法，易于实现呼出气体的实时在线检测。在吸收光谱法气体检测系统中，气室是光与气体作用的场所，它的有效光程直接决定了系统的检测精度，气室结构的稳定性影响到系统的稳定性。

对比文件1(CN112304899)公开了一种基于腔增强技术的气体在线检测装置，装置包括可调谐半导体激光器、光学腔、光电探测器、数据采集及处理系统、气体压缩腔、压力传感器、TEC半导体制冷器、微处理器以及显示屏等。该装置使用增强型法布里-珀罗(FP)光学腔，通过压缩气体体积以提升浓度的方式实现较高的检测精确度，但是其腔体尺寸较大，光程/腔体尺寸比值不高，腔体设计过于复杂，并且高反射率的腔镜造价高昂且需要复杂的稳定装置，系统稳定性较差。

对比文件2(CN102706832)公开了一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪，包括激光器、激光器驱动电路、温度控制电路、带有光学腔体的光学系统、主探测器和参考探测器、强度调制消除电路、锁相放大电路和数据采集与显示电路；该装置通过在强度调制消除电路中引入除法运算，结合空间双光路差分检测法，能够从根本上消除强度调制的影响，但是，在双光路差分检测法中，两光电探测器的失配问题是导致吸收峰信号发生畸变的根本原因。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测方法，基于TDLAS技术，设计了一种单光路检测系统，通过改进的吸收峰提取算法，配合功率归一化系数，既能解调出气体的吸收信号，又能消除非吸收功率波动对吸收信号的干扰；同时采用光学球形腔，通过增加反射次数增加光程，大大提高了光程/腔体尺寸比值，解决了现有腔增强TDLAS技术中出现的稳定性差、成本高和体积大等问题。

一种基于腔增强的单光路痕量气体在线检测方法，具体包括以下步骤：

步骤一、搭建基于腔增强的单光路痕量气体的在线检测装置，包括信号发生器、激光驱动器、可调谐半导体激光器、光束耦合器、光学球形腔、光电探测器、锁相放大器以及上位机。信号发生器的信号发生端与激光驱动器的输入端相连，激光驱动器的输出端与可调谐半导体激光器的输入控制端相连。光束耦合器将可调谐半导体激光器发出的激光引入光学球形腔，以及将反射后的光引出光学球形腔。光学球形腔上设有气体入口与出口。光电探测器的输入端接收光束耦合器引出的光束，输出端与锁相放大器的输入端相连，锁相放大器的输出端与上位机相连。

作为优选，可调谐半导体激光器为辐射波长为9.55μm的量子级联激光器。

作为优选，光束耦合器为棱镜光束耦合器、光栅光束耦合器或微纳结构耦合器中的一种。

作为优选，光学球形腔为二氧化硅腔，直径为150mm，腔内表面镀有金属镜面。

作为优选，光学球形腔内镀的金属镜面为银、金、铝或铂中的一种。

作为优选，所述在线检测装置还包括用于安装可调谐半导体激光器的散热器。