一种基于中红外全光纤直接吸收法的多组分痕量气体检测系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于中红外全光纤直接吸收法的多组分痕量气体检测系统和方法，波长可调谐窄线宽量子级联激光器作为光源，其激光输出耦合进入第一中红外单模光纤，一段中红外空芯光纤作为气室，中红外空芯光纤两端侧向钻有通气微孔以供被测气体通过，激光通过第一中红外单模光纤输出进入中红外空芯光纤气室，继而耦合进入第二中红外单模光纤、并接着耦合进入光电探头。两段中红外单模光纤与中红外空芯光纤气室通过低损耗熔接构成全光纤结构。通过多通道共享微箱的方案，实现多通道、多波长平行气室检测；本发明专利技术灵敏度高、抗干扰，光路简单，结构紧凑、体积小、易便携、扩容性高，可以实现多通道、多组分、多波长快速检测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于中红外全光纤直接吸收法的多组分痕量气体检测系统和方法
本专利技术涉及一种多组分痕量气体的检测装置和方法，具体涉及一种基于中红外全光纤直接吸收法的多组分痕量气体检测系统和方法，属于激光光谱检测和气体检测

技术介绍
中红外3-14微米波段具有重要的实用价值，生命相关的含碳、氢、氧、氮的气体分子和挥发性有机物的指纹性基频振动吸收谱线都落在这个波段内，因此中红外光谱技术可以对多组分痕量气体进行同步在线、快速准确的定性定量分析，这在环境监测、工业生产过程监控、有毒易爆气体检测、疾病诊断等诸多应用场景中有着重要的需求。基于朗伯比尔定律(Lambert-Beerlaw)的直接吸收法是一种通过气体吸收峰特征波长和吸收系数定性定量表征痕量气体的光谱检测技术。首先，光源被耦合进入充满气体的气室中，由于气体对特定波长的光具有吸收，该波长在气室输出端的光强发生衰减，由于气体吸收光谱在中红外的指纹式特征(即在确定温度条件下，气体任何一个精细谱线波长位置只对应一种气体，其单位浓度在单位长度上的吸收率是常数)，通过对比特定波长处气室内有无气体时的光强比，再根据气室内总光程长度，计算得到痕量气体的吸收系数；再次，根据标准气体光谱数据库(HITRAN)，通过吸收谱线特征波长确定气体种类，根据该气体在该波长特定的单位浓度、单位长度的吸收系数(即吸收截面)确定其浓度。基于直接吸收法的中红外光谱分析技术具有极高的灵敏度和分辨率，适合测试极低浓度样品，被广泛地用于各类原子、分子、基团等的高精度吸收光谱测试，在大气环境监测和生物医学等领域有着很广泛的应用。通常采用的直接吸收法则采用相干度低、亮度低的宽谱黑体辐射光源(如电阻加热的硅碳棒)，而对于从气室输出的光谱则需要采用较庞大的光栅分光系统。从而实现光谱分辨精度高于气体吸收光谱谱线线宽。该技术由于宽谱低相干度光源的光谱功率密度低，因此光谱分析精度较低；要实现高光谱分辨能力，衍射式光栅单元光路长，且光路要精确调试，受环境振动干扰大；因此，系统整体结构复杂，体积较大，便携性差。目前全固态刚性气室为了实现提高对痕量气体的高精度分析能力，多采用长光程气室的技术方案，为了达到几十米以上的光程，其刚性气室的单程长度在米级水平，在气室两端加有多个反射镜以实现多次反射，因此其光路设计复杂，可便携能力差，一般只能在实验室内使用。光纤由于其可弯曲、质量轻、光束质量高等优点，是取代传统全固态刚性气室、实现结构紧凑、便携性高的测试系统的优选方案。
技术实现思路
针对上述中红外高精度激光光谱直接吸收法光谱分析技术存在的体积大、结构复杂、便携性差等问题，本专利技术提供一种基于中红外全光纤直接吸收法的多组分痕量气体检测系统和方法。为实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于中红外全光纤直接吸收法的多组分痕量气体检测系统，包括：波长可调谐、窄线宽中红外量子级联激光器、第一中红外单模光纤、中红外空芯光纤、第一三通阀门、第一气体管道、第一微箱、第二三通阀门、第二气体管道、第二微箱、真空泵、压力泵、第二中红外单模光纤、中红外光电探头、上位机，其中所述中红外量子级联激光器、第一中红外单模光纤、中红外空芯光纤、第二中红外单模光纤、中红外光电探头均设置有多个且数量相同，多个中红外量子级联激光器的中心波长均不相同，多个中红外空芯光纤的工作波长均不相同，多个中红外光电探头的探测波长均不相同；所述中红外量子级联激光器的输出端连接第一中红外单模光纤输入端，第一中红外单模光纤输出端与中红外空芯光纤输入端熔接，中红外空芯光纤输出端与第二中红外单模光纤输入端熔接，第二中红外单模光纤输出端连接中红外光电探头，两段中红外单模光纤与中红外空芯光纤构成全光纤结构光路；所述中红外空芯光纤输入端钻有一个微孔一，并通过微孔一连接第一微箱，中红外空芯光纤输出端钻有一个微孔二，并通过微孔二连接第二微箱，从而构成光场和气体重合度高的全光纤结构气体检测通道；第一微箱通过第一气体管道与第一三通阀门一端连接，第一三通阀门另外两端分别连接被测气体入口端以及压力泵，第二微箱通过第二气体管道与第二三通阀门一端连接，第二三通阀门另一端连接真空泵；所述上位机分别与中红外量子级联激光器、第一三通阀门、第二三通阀门、真空泵、压力泵、中红外光电探头电性连接；所述中红外量子级联激光器作为系统光源，激光耦合进入第一中红外单模光纤的输入端、再耦合进入中红外空芯光纤，从中红外空芯光纤输出的激光信号通过第二中红外单模光纤耦合进入中红外光电探头；中红外光电探头探测激光信号强度后转换成电信号，并传输给上位机；上位机用于处理所有测试数据并控制中红外量子级联激光器、第一、第二三通阀门、真空泵、压力泵的开关；被测气体通过第一三通阀门和第一气体管道到达气密封闭的第一微箱，通过微孔一进入中红外空芯光纤，并充满整个中红外空芯光纤纤芯，再通过微孔二离开中红外空芯光纤，并进入气密封闭的第二微箱；被测气体经过第二微箱并通过第二气体管道和第二三通阀门排出检测系统。优选的，所述中红外量子级联激光器的中心波长范围为4-14微米。优选的，所述第一中红外单模光纤、第二中红外单模光纤采用氟化物玻璃光纤、硫化物玻璃光纤、硒化物玻璃光纤、碲化物玻璃光纤中的一种。优选的，所述微孔直径d的取值范围为20-500微米。优选的，所述微孔内壁表面粗糙度低于1微米。优选的，所述中红外光电探头的探测波长范围为3-11微米。本专利技术所述系统工作原理如下：(一)中红外空芯光纤气室：光在空芯光纤中传输时，由于带隙导光等导光机制，光场被约束限制在空芯中并沿光纤低损耗传输，从而实现光场能量和被测气体在空间上的高重合度；当空芯中充满在激光波长处存在特定吸收峰的被测气体时，激光输出功率通过空芯光纤气室因为气体吸收而下降，该功率下降比例和气体吸收截面、气体浓度、和光纤气室长度相关，从而可以定性定量地精确测量被测气体种类和浓度。(二)基于波长可调谐窄线宽激光光源的高精度气体直接吸收法光谱测试：中红外激光耦合进入气室内部，当气室内充满对激光波长具有一定吸收的气体时，在气室输出端测试的激光功率发生衰减，由于气体吸收光谱在中红外的指纹式特征，即在确定温度条件下，气体任何一个精细谱线波长位置只对应一种气体，其单位浓度在单位长度上的吸收率是常数，当采用线宽显著小于气体吸收光谱谱线宽度的窄线宽激光器时，首先粗调将激光中心波长设于在气体吸收峰宽度之内的某个波长λ0；由于气体吸收激光信号比气室内真空时呈现衰减；通过微调谐窄线宽量子级联激光器波长，在气体吸收峰宽度之内扫描使得激光信号衰减达到最大的波长位置λ1，该波长即为被测气体的吸收光谱特征波长，通过对比气室内真空时的激光输出功率，根据气室内总光程长度，计算得到痕量气体的吸收系数；其中，气体吸收谱线、激光波长λ0和λ1三者之间的波长对应关系如图4所示；再次，根据标准气体光谱数据库(HITRAN)，通过吸收谱线特征波长确定气体种类，根据该气体在该波长特定的单位浓度、单位长度的吸收系数(即吸收截面)确定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于中红外全光纤直接吸收法的多组分痕量气体检测系统，其特征在于：所述系统包括：波长可调谐、窄线宽中红外量子级联激光器、第一中红外单模光纤、中红外空芯光纤、第一三通阀门、第一气体管道、第一微箱、第二三通阀门、第二气体管道、第二微箱、真空泵、压力泵、第二中红外单模光纤、中红外光电探头、上位机，其中所述中红外量子级联激光器、第一中红外单模光纤、中红外空芯光纤、第二中红外单模光纤、中红外光电探头均设置有多个且数量相同，多个中红外量子级联激光器的中心波长均不相同，多个中红外空芯光纤的工作波长均不相同，多个中红外光电探头的探测波长均不相同；/n所述中红外量子级联激光器的输出端连接第一中红外单模光纤输入端，第一中红外单模光纤输出端与中红外空芯光纤输入端熔接，中红外空芯光纤输出端与第二中红外单模光纤输入端熔接，第二中红外单模光纤输出端连接中红外光电探头，两段中红外单模光纤与中红外空芯光纤构成全光纤结构光路；/n所述中红外空芯光纤输入端钻有一个微孔一，并通过微孔一连接第一微箱，中红外空芯光纤输出端钻有一个微孔二，并通过微孔二连接第二微箱，从而构成光场和气体重合度高的全光纤结构气体检测通道；第一微箱通过第一气体管道与第一三通阀门一端连接，第一三通阀门另外两端分别连接被测气体入口端以及压力泵，第二微箱通过第二气体管道与第二三通阀门一端连接，第二三通阀门另一端连接真空泵；/n所述上位机分别与多个中红外量子级联激光器、第一三通阀门、第二三通阀门、真空泵、压力泵、多个中红外光电探头电性连接；/n所述中红外量子级联激光器作为系统光源，激光耦合进入第一中红外单模光纤的输入端、再耦合进入中红外空芯光纤，从中红外空芯光纤输出的激光信号通过第二中红外单模光纤耦合进入中红外光电探头；中红外光电探头探测激光信号强度后转换成电信号，并传输给上位机；上位机用于处理所有测试数据并控制中红外量子级联激光器、第一、第二三通阀门、真空泵、压力泵的开关；/n被测气体通过第一三通阀门和第一气体管道到达气密封闭的第一微箱，通过微孔一进入中红外空芯光纤，并充满整个中红外空芯光纤纤芯，再通过微孔二离开中红外空芯光纤，并进入气密封闭的第二微箱；被测气体经过第二微箱并通过第二气体管道和第二三通阀门排出检测系统。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于中红外全光纤直接吸收法的多组分痕量气体检测系统，其特征在于：所述系统包括：波长可调谐、窄线宽中红外量子级联激光器、第一中红外单模光纤、中红外空芯光纤、第一三通阀门、第一气体管道、第一微箱、第二三通阀门、第二气体管道、第二微箱、真空泵、压力泵、第二中红外单模光纤、中红外光电探头、上位机，其中所述中红外量子级联激光器、第一中红外单模光纤、中红外空芯光纤、第二中红外单模光纤、中红外光电探头均设置有多个且数量相同，多个中红外量子级联激光器的中心波长均不相同，多个中红外空芯光纤的工作波长均不相同，多个中红外光电探头的探测波长均不相同；
所述中红外量子级联激光器的输出端连接第一中红外单模光纤输入端，第一中红外单模光纤输出端与中红外空芯光纤输入端熔接，中红外空芯光纤输出端与第二中红外单模光纤输入端熔接，第二中红外单模光纤输出端连接中红外光电探头，两段中红外单模光纤与中红外空芯光纤构成全光纤结构光路；
所述中红外空芯光纤输入端钻有一个微孔一，并通过微孔一连接第一微箱，中红外空芯光纤输出端钻有一个微孔二，并通过微孔二连接第二微箱，从而构成光场和气体重合度高的全光纤结构气体检测通道；第一微箱通过第一气体管道与第一三通阀门一端连接，第一三通阀门另外两端分别连接被测气体入口端以及压力泵，第二微箱通过第二气体管道与第二三通阀门一端连接，第二三通阀门另一端连接真空泵；
所述上位机分别与多个中红外量子级联激光器、第一三通阀门、第二三通阀门、真空泵、压力泵、多个中红外光电探头电性连接；
所述中红外量子级联激光器作为系统光源，激光耦合进入第一中红外单模光纤的输入端、再耦合进入中红外空芯光纤，从中红外空芯光纤输出的激光信号通过第二中红外单模光纤耦合进入中红外光电探头；中红外光电探头探测激光信号强度后转换成电信号，并传输给上位机；上位机用于处理所有测试数据并控制中红外量子级联激光器、第一、第二三通阀门、真空泵、压力泵的开关；
被测气体通过第一三通阀门和第一气体管道到达气密封闭的第一微箱，通过微孔一进入中红外空芯光纤，并充满整个中红外空芯光纤纤芯，再通过微孔二离开中红外空芯光纤，并进入气密封闭的第二微箱；被测气体经过第二微箱并通过第二气体管道和第二三通阀门排出检测系统。


2.根据权利要求1所述的一种基于中红外全光纤直接吸收法的多组分痕量气体检测系统，其特征在于：所述中红外量子级联激光器的中心波长范围为4-14微米。


3.根据权利要求1所述的一种基于中红外全光纤直接吸收法的多组分痕量气体检测系统，其特征在于：所述第一中红外单模光纤、第二中红外单模光纤采用氟化物玻璃光纤、硫化物玻璃光纤、硒化物...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯宪，施进丹，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32