[发明专利]一种基于气体吸收光谱的单端漫反射多组分测量系统

说明书

本发明提出一种基于气体吸收光谱的单端漫反射多组分测量系统，包括用于控制多个激光器产生激光并进行耦合的高精度显微物镜耦合单元；用于对经高精度显微物镜耦合单元的多个激光进行全光纤化的多合一光纤束单元；用于对经多合一光纤束单元光纤化的激光的光路进行控制的壁面单端漫反射单元；用于接收经壁面单端漫反射单元的光并进行分析，从而实现对待测区域内的介质的多组分测量的极弱光强信号接收单元。本发明提高了在极端复杂环境中，多组分吸收光谱测量系统的集成度、稳定性、抗振动性及检测下限，同时为中红外激光器件在实际复杂测量环境的应用与推广提供新的解决方案。

技术领域

本发明涉及吸收光谱测量技术领域，特别提出一种基于气体吸收光谱的单端漫反射多组分测量系统。

背景技术

基于可调谐激光吸收光谱(Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)的测量技术作为一种非接触式测量手段，具有灵敏度高、响应速度快、原位测量等特点，已广泛应用于能源化工、电力环保等领域，可以实现温度、组分浓度、压力等气体物性参数协同测量。尽管如此，在极端复杂环境(高温、高压、高速、强振动、痕量级组分浓度)中，集成度高、稳定性强的多气体组分原位在线协同测量系统的设计与搭建仍面临着巨大的挑战，同时，在中红外波段，常见气体吸收谱线强度高，中红外波段测量优势明显，但与近红外通讯波段较为成熟的激光器件相比，中红外光电器件的光纤化程度较低，这对中红外激光器件在吸收光谱测量技术中的应用与推广带来了一定的困难。

传统的多组分吸收光谱测量系统的特点及不足可分为三类：1)常规吸收光谱实验多采取一端发射，一端接收的光路布置，当测量环境空间严重受限或者不便双侧开观察窗时，该光路布置有较大的局限性，且在使用中红外光电器件时，面临着多光路准直、共线和汇聚等难点；2)在高温、高压、高速、机械振动较大的强湍流燃烧环境中，光束抖动现象极为严重，为了有效地汇聚、收集光强信号，往往需要布置大口径抛物面镜、凸透镜等，并未从根本上缓解光束抖动现象对光谱测量信号的影响；3)在极低浓度如痕量级(ppm量级)NOx燃烧尾气排放环境中进行吸收光谱检测时，气体有效吸收信号较弱，信号信噪比较低。如何进一步提高吸收信号的信噪比及提高检测下限是一大难点。目前仅有的单端多组分测量研究在斯坦福大学动力实验室开展，利用旋转爆震发动机抛光内表面的镜面反射，反射光功率较高，可以实现单端多组分吸收光谱测量，但应用于航空发动机等燃烧室壁面烧蚀结垢、污染较为严重场合中，该单端测量系统有较大的局限性。

总体来说，在极端复杂的环境中，现有的多组分激光吸收光谱测量系统整体集成度低，复杂度高，抗振动性能差，且在壁面烧蚀结垢、污染较为严重情形下应用受限。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种基于气体吸收光谱的单端漫反射多组分测量系统，采用高精度物镜耦合系统及先进的多合一光纤束设计，利用壁面单端漫反射特性，以提高在极端复杂环境中，多组分吸收光谱测量系统的集成度、稳定性、抗振动性及检测下限等，同时为中红外激光器件在实际复杂测量环境的应用与推广提供新的解决思路和方案。

一种基于气体吸收光谱的单端漫反射多组分测量系统，其特征在于，包括：

高精度显微物镜耦合单元，用于控制多个激光器产生激光并进行耦合；

多合一光纤束单元，用于对经所述高精度显微物镜耦合单元的多个激光进行全光纤化；

壁面单端漫反射单元，用于对经所述多合一光纤束单元光纤化的激光的光路进行控制；

极弱光强信号接收单元，用于接收经所述壁面单端漫反射单元的光并进行分析，从而实现对待测区域内的介质的多组分测量。