一种基于饱和吸收光谱的多种混合气体压力测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于饱和吸收光谱的多种混合气体压力测量装置及方法，通过测得的碱金属气室内存在多种气体时的碱金属原子的激光吸收光谱，拟合得到碱金属气室内多种混合气体的混叠压力展宽和频移，再根据已知的单种、单位压力气体对应的压力展宽和频移，联立计算得到多种气体各自的压力。当存在n种碱金属时，最多可以测量4n种混合气体的压力。本发明专利技术适用碱金属气室内含有两种以及两种以上混合气体时，压力的精密测量，如基于原子无自旋交换碰撞弛豫(Spin Exchange Relaxation Free Regime)的惯性和磁场测量装置中的碱金属气室部分。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于饱和吸收光谱的多种混合气体压力测量装置及方法，本方法适用基于原子无自旋交换碰撞弛豫(SpinExchangeRelaxationFreeRegime)的超高灵敏惯性和磁场测量装置碱金属气室部分中含有多种气体时，气体各自的精密压力测量。
技术介绍
碱金属气室是基于原子无自旋交换碰撞弛豫(SpinExchangeRelaxationFreeRegime)的超高灵敏惯性和磁场测量装置的核心敏感器件。为了阻止碱金属原子和气室壁的碰撞导致碱金属电子自旋弛豫，会在碱金属气室内充入惰性气体作为缓冲；为了实现自发辐射光子的吸收，会在碱金属气室内充入淬灭气体。这样，碱金属气室内就包含有两种气体，碱金属气室内两种气体的含量会对原子的弛豫以及系统其它参数的选取有很大的影响，因此精密测量两种混合气体各自的压力具有重要的意义。针对密闭容器中混合气体组分分析，目前可用的检测方法有一种基于支持向量机的混合气体红外光谱组分浓度和种类分析的新方法，该方法利用核函数将组分气体特征吸收谱线重叠严重的混合气体光谱在高维空间变换后，建立SVM回归校正模型，进行混合气体浓度分析，进而进行压力测量。此外还有一种核主成分分析(KPCA)特征提取结合支持向量回归机(SVR)的红外光谱混合气体组分定量分析新方法。首先将特征吸收谱线严重重叠的混合气体光谱通过非线性变换映射到高维特征空间，然后在特征空间中再利用主成分分析法提取主成分，提取出的主成分作为SVR的输入建立校正模型，实现了吸收光谱严重重叠的混合气体的定量分析。然而上述两种方法计算过程较为繁琐，会带来较大的误差。
技术实现思路
本专利技术解决的问题是：克服现有常规方法的不足，提供一种基于饱和吸收光谱的多种混合气体压力测量装置及方法，实现了碱金属气室内存在多种气体时各自气体的压力测量，且测量装置和方法简单、精度高。本专利技术的技术解决方案之一为：一种基于饱和吸收光谱的多种混合气体压力测量装置，包括激光器1、分光棱镜2、液晶可变波片3、线性偏振器件4、偏振分光棱镜5、斩波器6、线性偏振器件7、气室8、第一光电探测器9、波长计10、第二光电探测器11、锁相放大器12和数据采集系统13；将充有n种碱金属原子、4n种气体的气室8加热至稳定的温度，激光器1首先采用可调谐范围在第1种碱金属原子D1线附近的激光器，其输出的激光经过分光棱镜2后分成两束光，一束光进入波长计10测量其波长，并传输至数据采集系统13，另一束光传输至液晶可变波片3后，一束光传输至数据采集系统13，另一束光通过线性偏振器件4起偏后，传输至偏振分光棱镜5分成两束光，一束光进入第二光电探测器11后进行信号采集后将信号传输至数据采集系统13，另一束光进入斩波器6进行调制，经过调制的光通过线性偏振器件2进入气室8，通过第一光电探测器9将采集的信号传输至锁相放大器12进行解调，最后进入数据采集系统13，最后，将进入数据采集系统13的数据进行处理，计算得到光学深度曲线OD(v)。本专利技术技术解决方案之二：一种基于饱和吸收光谱的多种混合气体压力测量方法，步骤如下：(1)采用波长调谐范围在第1种碱金属原子D1、D2线附近的激光器，将激光器输出的激光照射处于稳定的温度下的碱金属气室并扫频，测量不同频率入射激光的输入、输出，根据激光输入、输出以及光学深度的关系，计算出光学深度曲线，然后用洛伦兹函数对光学深度曲线进行拟合，获得4n种气体引起的第1种碱金属原子的D1线压力展宽Γ1_D1和频移δ1_D1，以及4n种气体引起的第1种碱金属原子的D2线压力展宽Γ1_D2和频移δ1_D2；(2)采用波长调谐范围在第2种碱金属原子D1、D2线附近的激光器，将激光器输出的激光照射于处于稳定的温度下的碱金属气室并扫频，测量不同频率的入射激光的输入、输出，根据激光输入、输出以及光学深度的关系，计算出光学深度曲线，然后用洛伦兹函数对光学深度曲线进行拟合，获得4n种气体引起的第2种碱金属原子D1线的谱线压力展宽Γ2_D1和频移δ2_D1，以及4n种气体引起的第2种碱金属原子D2线的谱线压力展宽Γ2_D2和频移δ2_D2；(3)采用波长调谐范围在第i(i＝1,2…n)种碱金属原子D1、D2线附近的激光器，将激光器输出的激光照射处于稳定的温度下的碱金属气室并扫频，测量不同频率的入射激光的输入、输出，根据激光输入、输出以及光学深度的关系，计算出光学深度曲线，然后用洛伦兹函数对光学深度曲线进行拟合，获得4n种气体引起的第i种碱金属原子D1线压力展宽Γi_D1和频移δi_D1，以及4n种气体引起的第i种碱金属原子D2线压力展宽Γi_D2和频移δi_D2；直至得到第n种碱金属原子由于4n种气体引起的D1线压力展宽Γn_D1和频移δn_D1以及D2线压力展宽Γn_D2和频移δn_D2；(4)根据已知的稳定的温度下，第1种气体单位压力下引起的第1种碱金属原子D1线压力展宽Γ11_D1和频移δ11_D1，第1种气体单位压力下引起的第1种碱金属原子D2线压力展宽Γ11_D2和频移δ11_D2；第2种气体单位压力下引起的第1种碱金属原子D1线压力展宽Γ21_D1和频移δ21_D1，第2种气体单位压力下引起的第1种碱金属原子D2线压力展宽Γ21_D2和频移δ21_D2；直至第4n种气体单位压力下引起的第1种碱金属原子D1线压力展宽Γ4n1_D1和频移δ4n1_D1，第4n种气体单位压力下引起的第1种碱金属原子D2线压力展宽Γ4n1_D2和频移δ4n1_D2；(5)根据已知的稳定的温度下，第1种气体单位压力下引起的第2种碱金属原子D1线压力展宽Γ12_D1和频移δ12_D1，第1种气体单位压力下引起的第2种碱金属原子D2线压力展宽Γ12_D2和频移δ12_D2；第2种气体单位压力下引起的第2种碱金属原子D1线压力展宽Γ22_D1和频移δ22_D1，第2种气体单位压力下引起的第2种碱金属原子D2线压力展宽Γ22_D2和频移δ22_D2；直至第4n种气体单位压力下引起的第2种碱金属原子D1线压力展宽Γ4n2_D1和频移δ4n2_D1，第4n种气体单位压力下引起的第2种碱金属原子D2线压力展宽Γ4n2_D2和频移δ4n2_D2；(6)直至得到，根据已知的稳定的温度下，第1种气体单位压力下引起的第n种碱金属原子D1线压力展宽Γ1n_D1和频移δ1n_D1，第1种气体单位压力下引起的第n种碱金属原子D2线压力展宽Γ1n_D2和频移δ1n_D2；第2种气体单位压力下引起的第n种碱金属原子D1线压力展宽Γ2n_D1和频移δ2n_D1，第2种气体单位压力下引起的第n种碱金属原子D2线压力展宽δ2n_D2和频移δ2n_D2；直至第4n种气体单位压力下引起的第n种碱金属原子D1线压力展宽Γ4nn_D1和频移δ4nn_D1，第4n种气体单位压力下引起的第n种碱金属原子D2线压力展宽Γ4nn_D2和频移δ4nn_D2；(7)结合步骤(1)(2)(3)中拟合得到的4n种气体引起的n种碱金属原子D1线和D2线压力展宽和频移，以及步骤(4)(5)(6)中已知的第i种(i＝1,2,…,4n)气体单位压力下引起的第j种(j＝1,2,…,n)碱金属原子的压力展宽和频移，联立计算得到碱金属气室内4n种气体各自的压力P1，P2，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于饱和吸收光谱的多种混合气体压力测量装置，其特征在于：包括激光器、分光棱镜、液晶可变波片、线性偏振器件、偏振分光棱镜、斩波器、线性偏振器件、气室、第一光电探测器、波长计、第二光电探测器、锁相放大器和数据采集系统；将充有n种碱金属原子、4n种气体的气室加热至稳定的温度，激光器首先采用可调谐范围在第1种碱金属原子D1线附近的激光器，其输出的激光经过分光棱镜后分成两束光，一束光进入波长计测量其波长，并传输至数据采集系统，另一束光传输至液晶可变波片后，又分为两束光，一束光传输至数据采集系统，另一束光通过线性偏振器件起偏后，传输至偏振分光棱镜分成两束光，一束光进入第二光电探测器后进行信号采集后将信号传输至数据采集系统，另一束光进入斩波器进行调制，经过调制的光通过线性偏振器件进入气室，通过第一光电探测器将采集的信号传输至锁相放大器进行解调，最后进入数据采集系统，最后，将进入数据采集系统的数据进行处理，计算得到光学深度曲线OD(v)。

【技术特征摘要】
1.一种基于饱和吸收光谱的多种混合气体压力测量装置，其特征在于：包括激光器、分光棱镜、液晶可变波片、线性偏振器件、偏振分光棱镜、斩波器、线性偏振器件、气室、第一光电探测器、波长计、第二光电探测器、锁相放大器和数据采集系统；将充有n种碱金属原子、4n种气体的气室加热至稳定的温度，激光器首先采用可调谐范围在第1种碱金属原子D1线附近的激光器，其输出的激光经过分光棱镜后分成两束光，一束光进入波长计测量其波长，并传输至数据采集系统，另一束光传输至液晶可变波片后，又分为两束光，一束光传输至数据采集系统，另一束光通过线性偏振器件起偏后，传输至偏振分光棱镜分成两束光，一束光进入第二光电探测器后进行信号采集后将信号传输至数据采集系统，另一束光进入斩波器进行调制，经过调制的光通过线性偏振器件进入气室，通过第一光电探测器将采集的信号传输至锁相放大器进行解调，最后进入数据采集系统，最后，将进入数据采集系统的数据进行处理，计算得到光学深度曲线OD(v)。2.一种基于饱和吸收光谱的多种混合气体压力测量方法，其特征在于包括以下步骤：(1)采用波长调谐范围在第1种碱金属原子D1、D2线附近的激光器，将激光器输出的激光照射处于稳定的温度下的碱金属气室并扫频，测量不同频率的入射激光的输入、输出，根据激光输入、输出以及光学深度的关系，计算出光学深度曲线，然后用洛伦兹函数对光学深度曲线进行拟合，获得4n种气体引起的第1种碱金属原子D1线的谱线压力展宽Γ1_D1和频移δ1_D1，以及4n种气体引起的第1种碱金属原子D2线的谱线压力展宽Γ1_D2和频移δ1_D2；(2)采用波长调谐范围在第2种碱金属原子D1、D2线附近的激光器，将激光器输出的激光照射处于稳定的温度下的碱金属气室并扫频，测量不同频率的入射激光的输入、输出，根据激光输入、输出以及光学深度的关系，计算出光学深度曲线，然后用洛伦兹函数对光学深度曲线进行拟合，获得4n种气体引起的第2种碱金属原子D1线的谱线压力展宽Γ2_D1和频移δ2_D1，以及4n种气体引起的第2种碱金属原子D2线的谱线压力展宽Γ2_D2和频移δ2_D2；(3)采用波长调谐范围在第i种碱金属原子D1、D2线附近的激光器，i＝1,2…n，将激光器输出的激光照射处于稳定的温度下的碱金属气室并扫频，测量不同频率的入射激光的输入、输出，根据激光输入、输出以及光学深度的关系，计算出光学深度曲线，然后用洛伦兹函数对光学深度曲线进行拟合，获得4n种气体引起的第i种碱金属原子D1线压力展宽Γi_D1和频移δi_D1，以及4n种气体引起的第i种碱金属原子D2线压力展宽Γi_D2和频移δi_D2；直至得到第n种碱金属原子由于4n种气体引起的D1线压力展宽Γn_D1和频移δn_D1以及D2线压力展宽Γn_D2和频移δn_D2；(4)根据已知的稳定的温度下，第1种气体单位压力下引起的第1种碱金属原子D1线压力展宽Γ11_D1和频移δ11_D1，第1种气体单位压力下引起的第1种碱金属原子D2线压力展宽Γ11_D2和频移δ11_D2；第2种气体单位压力下引起的第1种碱金属原子D1线压力展宽Γ21_D1和频移δ21_D1，第2种气体单位压力下引起的第1种碱金属原子D2线压力展宽Γ21_D2和频移δ21_D2；直至第4n种气体单位压力下引起的第1种碱金属原子D1线压力展宽Γ4n1_D1和频移δ4n1_D1，第4n种气体单位压力下引起的第1种碱金属原子D2线压力展宽Γ4n1_D2和频移δ4n1_D2；(5)根据已知的稳定的温度下，第1种气体单位压力下引起的第2种碱金属原子D1线压力展宽Γ12_D1和频移δ12_D1，第1种气体单位压力下引起的第2种碱金属原子D2线的压力展宽Γ12_D2和频移δ12_D2；第2种气体单位压力下引起的第2种碱金属原子D1线压力展宽Γ22_D1和频移δ22_D1，第2种气体单位压力下引起的第2种碱金属原子D2线压力展宽Γ22_D2和频移δ22_D2；直至第4n种气体单位压力下引起的第2种碱金属原子D1线压力展宽Γ4n2_D1和频移δ4n2_D1，第4n种气体单位压力下引起的第2种碱金属原子D2线压力展宽Γ4n2_D2和频移δ4n2_D2；(6)直至得到，根据已知的稳定的温度下，第1种气体单位压力下引起的第n种碱金属原子D1线压力展宽Γ1n_D1和频移δ1n_D1，第1种气体单位压力下引起的第n种碱金属原子D2线的压力展宽Γ1n_D2和频移δ1n_D2；第2种气体单位压力下引起的第n种碱金属原子D1线压力展宽Γ2n_D1和频移δ2n_D1，第2种气体单位压力下引起的第n种碱金属原子D2线压力展宽δ2n_D2和频移δ2n_D2；直至第4n种气体单位压力下引起的第n种碱金属原子D1线压力展宽Γ4nn_D1和频移δ4nn_D1，第4n种气体单位压力下引起的第n种碱金属原子D2线压力展宽Γ4nn_D2和频移δ4nn_D2；(7)结合步骤(1)(2)(3)中拟合得到的4n种气体引起的n种碱金属原子D1线和D2线压力展宽和频移，以及步骤(4)(5)(6)中已知的第i种气体单位压力下引起的第j种碱金属原子的压力展宽和频移，j＝1,2,…,n，联立计算得到碱金属气室内4n种气体各自的压力P1，P2，…，P4n，采用的公式如下：P1Γ11_D1+...

【专利技术属性】
技术研发人员：房建成，池浩湉，全伟，王许琳，陈瑶，卢妍，魏凯，赵天，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11