本实用新型专利技术公开了一种高灵敏度的气体测量装置，包括：光源组件、光学谐振腔、光信号接收模块、电信号处理模块、数据采集计算模块和气路组件；光源组件作为气体测量装置的探测光源；光学谐振腔作为气体测量装置的气体吸收池，包括PFA管、设置于PFA管两侧端面用于密封的高反射率透镜、设置于PFA管上的两个气孔；光信号接收模块作为光信号的检测器件，包括滤光片和探测器；电信号处理模块包括处理电路和锁相放大器，用于电流转换和放大解调；数据采集计算模块用于信号采集和计算；气路组件包括气体过滤器、三通电磁阀、粒子过滤器、质量流量计和微型隔膜泵。本实用新型专利技术的气体测量装置，设备体积小、成本低、时间响应快、探测精度高。探测精度高。探测精度高。
【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度的气体测量装置
[0001]本技术涉及气体测量
，尤其是一种高灵敏度的气体测量装置。
技术介绍
[0002]目前大气污染物的种类很多，根据其存在的状态，可以概括为气态污染物和气溶胶状态污染物。气态污染物的种类多，主要分为5个方面：以SO2为主的含硫化合物、以NO和NO2为主的含氮化合物、碳氢化合物、碳的氧化物和卤素化合物等。以二氧化氮为例，二氧化氮主要来源于生物质和化石燃料燃烧、交通运输排放、工业生产等过程，是对流层大气中重要的污染物，也是形成臭氧、酸沉降和二次颗粒过程中最重要的分子之一，因此确定大气中二氧化氮浓度变化对大气化学研究和改善人类生存环境具有重要意义。
[0003]过去的几十年里，发展了很多技术用于气体测量，以测量气体中待测成分的浓度，现有的气体测量装置存在时间响应长，价格昂贵，设备体积较大，探测精度低的问题。
技术实现思路
[0004]为了克服上述现有技术中的缺陷，本技术提供一种高灵敏度的气体测量装置，设备体积小、成本低、时间响应短、探测精度高。
[0005]为实现上述目的，本技术采用以下技术方案，包括：
[0006]一种高灵敏度的气体测量装置，包括：光源组件、光学谐振腔、光信号接收模块、电信号处理模块、数据采集计算模块；
[0007]所述光源组件包括用于发射探测光的激光器；所述激光器发射的探测光入射进所述光学谐振腔；
[0008]所述光学谐振腔用于盛装气体；所述光学谐振腔包括PFA管，所述PFA管的两侧端面分别设有用于密封的高反射率透镜，即第一高反射率透镜和第二高反射率透镜，探测光从第一高反射率透镜入射；所述PFA管的上设有两个气孔，即进气口和出气口；
[0009]所述光信号接收模块作为光信号的检测器件；所述光信号接收模块接收所述第二高反射率透镜出射的光并转换为电信号，即生成探测信号；所述光信号接收模块与电信号处理模块连接，将探测信号传输至电信号处理模块；
[0010]所述电信号处理模块包括锁相放大器；所述锁相放大器用于对探测信号进行解调，得到解调后的信号；所述电信号处理模块与数据采集计算模块连接，将探测信号和解调后的信号均传输至数据采集计算模块；
[0011]所述数据采集计算模块包括数据采集卡和计算机；所述数据采集卡用于信号采集，并输入进所述计算机，所述计算机用于进行计算和存储。
[0012]进一步地，还包括气路组件；
[0013]所述气路组件包括沿气体传输方向依次设置的气体过滤器、三通电磁阀、粒子过滤器、质量流量计和微型隔膜泵；所述气体过滤器用于滤除样气中的待测成分得到背景气；所述三通电磁阀一侧输入口连接样气，另一侧输入口连接所述气体过滤器；所述三通电磁
阀的常开口即输出口连接所述粒子过滤器，所述粒子过滤器用于去除气体中存在的气溶胶颗粒；所述粒子过滤器的输出口连接所述光学谐振腔的进气口，过滤后的气体依次流经所述光学谐振腔的进气口和出气口；所述光学谐振腔的出气口连接所述质量流量计的输入口，所述质量流量计用于控制出气口的流速大小；所述质量流量计的输出口与所述微型隔膜泵的输入口连接；所述微型隔膜泵作为动力源，用于所述光学谐振腔内气体的置换。
[0014]进一步地，所述激光器的输出端沿光传播方向依次设置光学隔离器和小孔光阑。
[0015]进一步地，所述激光器是一个中心波长为405nm的二极管激光器，最大TTL调制频率为10MHz，下降沿小于30ns；所述光学隔离器在405nm处的隔离效率为30dB。
[0016]进一步地，所述PFA管的外径为1/2英寸，内径为3/8英寸；两个高反射率透镜的反射率均大于99.98％，两个高反射率透镜之间距离为47.5cm；两个气孔为对称设置，气体流向可以互换。
[0017]进一步地，所述光信号接收模块包括沿光传播方向依次设置的滤光片和探测器；所述滤光片用于滤除探测光以外的杂散光，所述探测器用于将光信号转换成电流信号；所述电信号处理模块包括处理电路和锁相放大器；所述探测器与处理电路电连接，将电流信号传输至处理电路；所述处理电路用于将电流信号转换为电压信号；所述处理电路与锁相放大器电连接，将电压信号传输至锁相放大器；所述锁相放大器用于进行信号解调得到解调后的信号；所述处理电路和锁相放大器均与数据采集卡电连接，分别将电压信号和解调后的信号传输给数据采集卡。
[0018]进一步地，所述滤光片为中心波长405nm，带宽10nm的窄带滤光片；所述探测器为增益可调的电流型输出探测器，采用探测波段为300
‑
650nm的光电倍增管。
[0019]进一步地，所述锁相放大器402与所述激光器电连接，锁相放大器输出一个频率可调的TTL信号加载在激光器上，用于实现激光器的调制。
[0020]进一步地，所述光源组件、光学谐振腔和光信号接收模块之间的光路均为自由空间光，包含的所有器件均安装于笼式结构中。
[0021]本技术的优点在于：
[0022](1)本技术的气体测量装置，适用于腔增强吸收光谱技术的气体测量，探测精度高。
[0023](2)气体测量装置的气路组件通过微型隔膜泵进行光学谐振腔内气体的置换，且根据实施例可知，气体置换时间小于1.4s，系统响应时间短。
[0024](3)气体测量装置的光源组件、光学谐振腔和光信号接收模块之间的光路均为自由空间光，不存在其他器件损耗，包含的所有器件均安装于笼式结构中，保证光路的同轴一致性和稳定性，工作稳定，且小巧紧凑，不存在价格昂贵的器件，性价比很高。
[0025](4)气体测量装置的锁相放大器与激光器连接，锁相放大器输出一个频率可调的TTL信号加载在所述激光器上，从而控制激光器的探测光发射。
[0026](5)激光器的输出端设有光学隔离器和小孔光阑，光学隔离器用于防止所述光学谐振腔的第一高反射率透镜反射回来的光束损坏激光器；小孔光阑用于去除所述激光器输出光斑中不规则的形状，从而可以形成一个均匀的圆形光斑入射进所述光学谐振腔。
[0027](6)气体测量装置的气路组件设置气体过滤器，从而可以直接滤除样气中的待测成分以快速得到背景气，并通过三通电磁阀自动切换输入光学谐振腔中的气体，满足长时
间无人值守环境探测要求。
附图说明
[0028]图1为本技术的气体测量装置的架构图。
[0029]图2为本技术的气体测量装置的示意图。
[0030]图3为基于本技术气体测量装置的测量方法流程图。
[0031]图4为实施例三的测量大气中二氧化氮的结果图。
[0032]图5为是实施例三与现有技术的腔衰荡吸收光谱技术的探测极限评估对比图。
具体实施方式
[0033]下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度的气体测量装置，其特征在于，包括：光源组件(10)、光学谐振腔(20)、光信号接收模块(30)、电信号处理模块(40)、数据采集计算模块(50)；所述光源组件(10)包括用于发射探测光的激光器(101)；所述激光器(101)发射的探测光入射进所述光学谐振腔(20)；所述光学谐振腔(20)用于盛装气体；所述光学谐振腔(20)包括PFA管(202)，所述PFA管(202)的两侧端面分别设有用于密封的高反射率透镜，即第一高反射率透镜(2011)和第二高反射率透镜(2012)，探测光从第一高反射率透镜(2011)入射；所述PFA管(202)的上设有两个气孔，即进气口(2031)和出气口(2032)；所述光信号接收模块(30)作为光信号的检测器件；所述光信号接收模块(30)接收所述第二高反射率透镜(2012)出射的光并转换为电信号，即生成探测信号；所述光信号接收模块(30)与电信号处理模块(40)连接，将探测信号传输至电信号处理模块(40)；所述电信号处理模块(40)包括锁相放大器(402)；所述锁相放大器(402)用于对探测信号进行解调，得到解调后的信号；所述电信号处理模块(40)与数据采集计算模块(50)连接，将探测信号和解调后的信号均传输至数据采集计算模块(50)；所述数据采集计算模块(50)包括数据采集卡(501)和计算机(502)；所述数据采集卡(501)用于信号采集，并输入进所述计算机(502)，所述计算机(502)用于进行计算和存储；还包括气路组件(60)；所述气路组件(60)包括沿气体传输方向依次设置的气体过滤器(601)、三通电磁阀(602)、粒子过滤器(603)、质量流量计(604)和微型隔膜泵(605)；所述气体过滤器(601)用于滤除样气中的待测成分得到背景气；所述三通电磁阀(602)一侧输入口连接样气，另一侧输入口连接所述气体过滤器(601)；所述三通电磁阀(602)的常开口即输出口连接所述粒子过滤器(603)，所述粒子过滤器(603)用于去除气体中存在的气溶胶颗粒；所述粒子过滤器(603)的输出口连接所述光学谐振腔的进气口(2031)，过滤后的气体依次流经所述光学谐振腔的进气口(2031)和出气口(2032)；所述光学谐振腔的出气口(2032)连接所述质量流量计(604)的输入口，所述质量流量计(604)用于控制出气口(2032)的流速大小；所述质量流量计(604)的输出口与所述微型隔膜泵(605)的输入口连接；所述微型隔膜泵(605)作为动力...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵卫雄，周家成，张杨，徐学哲，方波，张为俊，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：新型
国别省市：
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