一种基于腔衰荡的痕量气体在线分析装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种基于腔衰荡的痕量气体在线分析装置，装置由激光器、光隔离器、光学谐振腔、激光检测器、温控模块、信号处理与控制模块组成。激光器输出激光经光隔离器进入光学谐振腔，光隔离器用于防止激光反射回激光器，光学谐振腔两端装有高反射凹面镜，激光在腔内经多次反射后产生谐振，并输出稳定的激光到激光检测器。当检测到激光输出功率超过一定阈值后，迅速关断激光器，通过检测激光关断后光学谐振腔输出激光能量衰减到设定下限阈值的时间间隔来反求腔内气体浓度。温控模块用于控制光学谐振腔温度，以实现腔长调节。通过结合波长调制和温控腔长调节达到激光器与谐振腔的模式匹配，替代了声光开关和PZT腔长调制，简化了系统结构。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
一种基于腔衰荡的痕量气体在线分析装置
本专利技术涉及机械领域，尤其涉及一种基于腔衰荡的痕量气体在线分析装置。
技术介绍
随着我国工业产业应用的发展，气体分析仪器在我国具有很大的市场，在工业过程分析应用中存在持续增长的分析仪器需求，作为连续污染物监测系统，在生产生活环境监测、机动车尾气检测等方面在国内需求广泛。特别是在痕量气体在线监测领域，还缺乏一种简便高效的方法。腔衰荡技术作为一种可行的痕量气体在线监测手段，是基于无源腔腔内吸收光谱而发展起来的高分辨率、高精度吸收光谱技术，它主要通过测量光在高反射腔中的衰荡时间来获得腔内介质的吸收系数。腔衰荡技术与腔内吸收、长程吸收光谱技术的区别是其不关注光在腔内反射次数的多少，而关注光在腔内的衰荡时间，是一个强度的比值，避开了激光光强的涨落幅度对测量的影响，因而测量的精度大大提高，但从本质上来讲它从属于直接吸收光谱技术。腔衰荡技术的发展最初是用于测量光学镜面的反射率，随着腔衰荡技术的发展，将其应用于痕量气体分析是当前腔衰荡技术发展的方向。国内已有多家单位对腔衰荡吸收光谱技术进行了研究，但都还处于实验阶段。在衰荡腔技术实现中，激光光源与光学谐振腔的模式匹配问题是其中的关键，通过查看专利与文献调研发现，却大多数的研究中建立的实验装置或尝试研发的原型样机使用的光学谐振腔都采用直腔结构，因为激光波长扫描因为波长扫描带宽有限，有时无法实现光源与光学谐振腔的匹配，因此已有装置都是采用PZT的调制振动对光学谐振腔的腔长进行扫描，从而达到与激光光源模式匹配的目的。对于直腔结构，将PZT安装于一块高反射光学镜片上，由于要避免激光在镜片中心的出射，因此增加了腔体安装和调试的难度。
技术实现思路
专利技术的目的:为了提供一种控制精度好、安装方便的基于腔衰荡的痕量气体在线分析装置。为了达到如上目的，本专利技术采取如下技术方案:一种基于腔衰荡的痕量气体在线分析装置，其特征在于，包含依次分布的激光器、光隔离器、光学谐振腔、激光检测器；光学谐振腔是一个两端装有反射凹面镜的直腔，直腔上开有进气口和出气口，防止激光反射回激光器的光隔离器处于激光器与光学谐振腔之间。本技术进一步技术方案在于，所述光学谐振腔上包有一层保温层，保温层下方有温度传感器和加热装置。本技术进一步技术方案在于，所述直腔的进气口和出气口上各自有流量传感器。本技术进一步技术方案在于，所述激光器为输出波长可通过电流进行调制的DFB激光器。本技术进一步技术方案在于，所述直腔的进气口或出气口连接抽真空装置。本技术进一步技术方案在于，还包含温度控制模块，所述激光器、温度控制模块、激光检测器各自连接CPU。本技术进一步技术方案在于，所述光隔离器型号为1-15-B4。本技术进一步技术方案在于，所述CPU还连接计时装置。本技术进一步技术方案在于，所述CPU还连接STM32H03芯片。采用如上技术方案的本技术，相对于现有技术有如下有益效果:本装置通过综合应用激光波长调制、光学谐振腔解构设计和温控腔长调节来进行激光器与谐振腔的模式匹配，取消了声光开关和PZT的腔长调制部分，简化了结构，提高了系统可靠性，，可以实现工业过程和环境监测等领域的痕量气体在线连续监测。【附图说明】为了进一步说明本专利技术，下面结合附图进一步进行说明:图1腔衰荡痕量气体分析装置结构组成；图2腔衰荡痕量气体分析基本原理；其中:1.激光器；2.光学隔离器；3.光学谐振腔；4.保温层；5.激光检测器。【具体实施方式】下面结合附图对本专利技术的实施例进行说明，实施例不构成对本专利技术的限制:一种基于腔衰荡的痕量气体在线分析装置，其特征在于，包含依次分布的激光器、光隔离器、光学谐振腔、激光检测器；光学谐振腔是一个两端装有反射凹面镜的直腔，直腔上开有进气口和出气口，防止激光反射回激光器的光隔离器处于激光器与光学谐振腔之间。本处至少能实现的技术效果是能将激光射进光学谐振腔，并用检测器检测其衰减，除了检测浓度，还能检测光学谐振腔内部所装物质对激光能量的阻挡能力。所述光学谐振腔上包有一层保温层4，保温层下方有温度传感器和加热装置。本处的结构是实现对光学谐振腔的精确的温控功能。所述直腔的进气口和出气口上各自有流量传感器。本处的结构所起的技术效果是能够检测流量，也可以是流量计量装置，能够有效控制在光学谐振腔内部的物质的多少。所述光学谐振腔为石英玻璃，膨胀系数在5.5*10_7PC，其两端是平凹镜。所述激光器为输出波长可通过电流进行调制的DFB激光器。所述直腔的进气口或出气口连接抽真空装置。本处的结构能够缔造一个完全纯净的环境以装进需要装进的气体，尽量减少外界干扰。所述激光器、光隔离器、光学谐振腔、激光检测器各自连接CPU。本处的CPU也可以是电脑或者中控系统，其连接温控装置。所述光隔离器型号为1-15-B4。本处的隔离器可以购自美国ISOwave公司。所述CPU还连接计时装置。所述CPU还连接STM32H03芯片。区别于一般腔衰荡技术的气体分析装置，本技术涉及的腔衰荡痕量气体分析装置是通过综合应用激光波长调制、光学谐振腔结构设计和温控腔长调节来进行激光器与谐振腔的模式匹配，从而取消了昂贵的声光开关和PZT腔长调制模块，达到简化结构、提高系统可靠性的目的。整个装置由激光器、光隔离器、光学谐振腔、激光检测器、温控模块、信号处理与控制模块组成。本处的控制模块可以和CPU互换。装置的工作过程如下:激光器经准直透镜输出一束平行激光，激光经由光隔离器后进入光学谐振腔，光学谐振腔是一个两端装有高反射凹面镜的直腔，腔上开有进气口和出气口。光隔离器处于激光器与光学谐振腔之间，防止激光反射回激光器。由于腔内两端是高反射凹面镜，激光在腔内会产生多次反射，每次反射后在凹面镜处会漏出部分光，当激光在腔内形成稳定谐振后，在凹面镜出输出稳定的激光束到激光检测器。当检测器检测到激光超过一定阈值后，即由信号处理和控制模块发出控制信号，通过电流调制关断激光器。此时腔内的激光在两个腔镜之间来回反射，每次反射，光强都会因为腔镜透射、衍射、样品的吸收而减弱，激光检测器可探测到透射光强随时间的变化，装置工作原理是如图2所示。如果已知两腔镜的反射率，该腔内充有气体吸收样品，就可以通过测量衰减时间来测量样品的绝对吸收，它与通常的吸收光谱技术不同，不是直接测量样品的吸收，而是测量相对衰荡时间，因此可以有效地避免光源的幅度涨落噪声，同时由于激光在谐振腔内往返多次反射，等效吸收程非常大(可达几十甚至几百公里)，因而具有非常高的测量灵敏度。根据多光束干涉理论，激光在腔内多次反射时，如果腔长和激光的波长不能匹配，将会因为干涉导致腔内激光能量削弱，即激光器的激光不能有效耦合进入光学谐振腔。因此激光光源波长与光学谐振腔的模式匹配问题必须解决。通常的做法是在一块高反射镜片安装PZT晶振陶瓷，通过激发PZT按照一定频率振动来进行腔长扫描，从而达到激光波长与腔长匹配的目的。在高反镜上安装PZT需要保证PZT不阻挡激光的入射和出射，同时还要保证PZT在振动时不会因为使镜片倾斜等导致光学谐振腔的横模失调，因此使用PZT调腔大大增加了光学谐振腔的安装和调腔难度。本技术通过通过综合应用激光波长调制、光学谐振腔结构设计和温控腔长调节等方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于腔衰荡的痕量气体在线分析装置，其特征在于，包含依次分布的激光器、光隔离器、光学谐振腔、激光检测器；光学谐振腔是一个两端装有反射凹面镜的直腔，直腔上开有进气口和出气口，防止激光反射回激光器的光隔离器处于激光器与光学谐振腔之间。

【技术特征摘要】
1.一种基于腔衰荡的痕量气体在线分析装置，其特征在于，包含依次分布的激光器、光隔离器、光学谐振腔、激光检测器；光学谐振腔是一个两端装有反射凹面镜的直腔，直腔上开有进气口和出气口，防止激光反射回激光器的光隔离器处于激光器与光学谐振腔之间。2.如权利要求1所述的一种基于腔衰荡的痕量气体在线分析装置，其特征在于，所述光学谐振腔上包有一层保温层(4 )，保温层下方有温度传感器和加热装置。3.如权利要求1所述的一种基于腔衰荡的痕量气体在线分析装置，其特征在于，所述直腔的进气口和出气口上各自有流量传感器。4.如权利要求1所述的一种基于腔衰荡的痕量气体在线分析装置，其特征在于，所述光学谐振腔为石英玻璃，膨胀系数在5.5*10_7PC其两端是平凹镜。5.如权利要求1所述的一种基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱莉芳，
申请(专利权)人：西安泰戈瑞森仪器有限公司，
类型：新型
国别省市：陕西;61