System.ArgumentOutOfRangeException: 索引和长度必须引用该字符串内的位置。 参数名: length 在 System.String.Substring(Int32 startIndex, Int32 length) 在 zhuanliShow.Bind() 一种痕量气体检测系统及方法技术方案_技高网

一种痕量气体检测系统及方法技术方案

技术编号:42804746 阅读:20 留言:0更新日期:2024-09-24 20:49
本发明专利技术提供了一种痕量气体检测系统及方法,系统包括:DFB激光器、反馈率控制模块、第一光束反射镜、模式匹配透镜、第二光束反射镜、谐振腔和光电探测器、PZT相位控制系统;DFB激光器发出激光,经由反馈率控制模块控制后,通过模式匹配透镜、第二光束反射镜后进入谐振腔,在谐振腔内多次反射后沿腔出射端射出;PZT相位控制系统用于控制粘贴于光束反射镜后的压电陶瓷,实现相位匹配;反馈率控制模块用于实现激光的反馈率控制。本发明专利技术实现了光学反馈技术在腔衰荡光谱检测技术中的应用,实现了相比于传统锁频方式更高精度和更低系统检出限的气体浓度探测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及气体检测,具体涉及一种痕量气体检测系统及方法


技术介绍

1、腔衰荡光谱检测技术作为当今痕量温室气体光谱检测方式中精度最高、检测限最低的一种,相较于常见的质谱-色谱法、可调谐半导体激光吸收光谱法以及离轴积分腔光谱法等,其具有免疫激光强度波动、吸收光程长、灵敏度高等优点。腔衰荡光谱检测技术通常由两块或若干具有高反射率的镜片构成谐振腔,通过调谐激光器的波长使得激光束经过一系列外部准直和偏振光路进入谐振腔内由待测气体吸收,最后由谐振腔出射端的探测器捕捉经吸收后的光信号进行浓度测算。

2、通过腔衰荡光谱检测技术的原理可知,仪器的最低检出限和精度主要依赖于激光波长的精确检测和控制以及光电二极管探测器所能测得的最小光信号。

3、为了提高仪器的最低检出限,目前常用的方法是在提升腔镜的反射率的同时提升激光器的输出功率,在最大程度提升进腔内光能量的同时增加腔内激光的反射次数,来获得更多的吸收。但是这种方式的缺点在于无论是所用的大功率激光器亦或是超高反射率腔镜,所需的成本都十分高昂,这对于仪器开发来说是一个致命的缺点。

4、此外,为了提升设备的探测精度,需要对激光的调谐频率进行高精度控制,而目前常见的方式是利用pdh锁频技术将激光频率主动锁定于谐振腔的谐振频率,从而实现高精度的光谱测量。但pdh稳频本身是一种通过电信号来控制并实现锁定激光频率的技术,需要用到较多的电路系统,不仅原理及实现过程复杂,且在增加成本的同时还增加了设备整体的体积重量。


技术实现思路

1、本专利技术的目的在于:提供一种痕量气体检测系统及方法,解决现有技术提升腔衰荡光谱检测仪器探测进度与最低检测限时所带来的成本过高、体积增大的技术问题。

2、本专利技术提供的一种痕量气体检测系统,具体包括:

3、dfb激光器、反馈率控制模块、第一光束反射镜、模式匹配透镜、第二光束反射镜、谐振腔和光电探测器、pzt相位控制系统;

4、dfb激光器发出激光,经由反馈率控制模块控制后,通过模式匹配透镜、第二光束反射镜后进入谐振腔,在谐振腔内多次反射后沿腔出射端射出;

5、所述pzt相位控制系统用于控制粘贴于光束反射镜后的压电陶瓷,实现相位匹配;

6、所述反馈率控制模块用于实现激光的反馈率控制。

7、进一步地,所述反馈率控制模块包括1/2波片、偏振分束器和1/4波片。

8、进一步地,dfb激光器出射的激光依次经过1/2波片、偏振分束器和1/4波片后,进入第一光束反射镜。

9、进一步地,还包括光电探测器;所述光电探测器包括第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器。

10、进一步地,所述谐振腔的腔出射端的出射光被第一光电探测器所采集;所述偏振分束器出射的光分别被第二光电探测器和第三光电探测器所采集。

11、进一步地,还包括计算机控制器和激光控制系统;

12、所述计算机控制器与第一光电探测器、pzt相位控制系统电性连接;

13、所述第一光电探测器还与激光控制系统电性连接。

14、一种痕量气体检测方法,方法包括以下步骤;

15、s1、将dfb激光器作为衰荡测量光源,当出射的光信号满足预设条件时,通过激光控制系统切断dfb激光器的电源;

16、s2、光信号经由反馈率控制模块、第一光束反射镜、模式匹配透镜、第二光束反射镜、谐振腔后,由第一光电探测器采集得到衰荡信号;

17、s3、采集的衰荡信号利用公式:进行拟合并且获得衰荡时间常数τ,it为随时间变化的光强、i0为腔衰荡开始时的光强;

18、s4、某一频率υ处的衰荡时间常数τ还表示为其中l为腔长、c为光速、c为待测物质浓度、α为待测物质的吸收系数;

19、s5、步骤s3~s4联立,当待测物质浓度已知便可求出介质的吸收系数α;

20、s6、重复步骤s2~s5,利用激光控制系统对dfb激光器的频率进行调谐,进而使得dfb激光器的频率扫描范围覆盖整个待测气体吸收峰,获得该吸收峰内若干个不同频率点处的吸收系数α。

21、进一步地,所述相位匹配的实现过程如下:

22、第一光电探测器采集到的信号经由计算机控制器进行相位匹配计算、获得其中的误差信号后反馈给pzt相位控制系统进而控制压电陶瓷促动,满足整体光路的相位匹配。

23、所述反馈率控制的实现如下:

24、转动1/2波片使得激光偏振方向与光轴方向具有一定夹角,利用该夹角使得到达偏振分束器的光一部分被透射至第一光束反射镜,另一部分被第二光电探测器采集;

25、激光经由1/4波片进腔后,反馈光沿原光路返回时第二次经过1/4波片,通过转动1/4波片来改变反馈光的偏振态,使其与光轴方向呈现一定的夹角,同理利用该夹角,使一部分光反射回激光器内部,另一部分由第三光电探测器采集;

26、通过配合转动1/2波片和1/4波片,同时观察第二光电探测器和第三光电探测器所对应的光功率数值,实现对反馈率的控制。

27、本专利技术的有益效果是:

28、1.采用一套系统即可同时实现激光线宽压窄,增加激光与外部谐振腔的耦合效率进而获得更低的系统检出限;以及实现激光频率的主动锁定,使获得的光谱精度更高。

29、2.省去了pdh锁频技术中冗余的电路系统,在系统更加简单、复用性更强的同时降低了整体系统的体积与重量。

30、3.本专利技术克服了传统的锁频方式如pdh锁频技术中无法压窄激光线宽的缺点,相比于利用pdh锁频技术的腔衰荡光谱具有更低的系统检出限。

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【技术保护点】

1.一种痕量气体检测系统,其特征在于,包括:

2.如权利要求1所述的一种痕量气体检测系统,其特征在于,所述反馈率控制模块包括1/2波片、偏振分束器和1/4波片。

3.如权利要求2所述的一种痕量气体检测系统,其特征在于,DFB激光器出射的激光依次经过1/2波片、偏振分束器和1/4波片后,进入第一光束反射镜。

4.如权利要求2所述的一种痕量气体检测系统,其特征在于,还包括光电探测器;所述光电探测器包括第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器。

5.如权利要求4所述的一种痕量气体检测系统,其特征在于,所述谐振腔的腔出射端的出射光被第一光电探测器所采集;所述偏振分束器出射的光分别被第二光电探测器和第三光电探测器所采集。

6.如权利要求1所述的一种痕量气体检测系统,其特征在于,还包括计算机控制器和激光控制系统;

7.一种痕量气体检测方法,应用于如权利要求1~6任一项所述的一种痕量气体检测系统,其特征在于,方法包括以下步骤;

8.如权利要求7所述的一种痕量气体检测方法,其特征在于,所述相位匹配的实现过程如下:

9.如权利要求7所述的一种痕量气体检测方法,其特征在于,所述反馈率控制的实现如下:

...

【技术特征摘要】

1.一种痕量气体检测系统,其特征在于,包括:

2.如权利要求1所述的一种痕量气体检测系统,其特征在于,所述反馈率控制模块包括1/2波片、偏振分束器和1/4波片。

3.如权利要求2所述的一种痕量气体检测系统,其特征在于,dfb激光器出射的激光依次经过1/2波片、偏振分束器和1/4波片后,进入第一光束反射镜。

4.如权利要求2所述的一种痕量气体检测系统,其特征在于,还包括光电探测器;所述光电探测器包括第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器。

5.如权利要求4所述的一种痕量气体检测系统,其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员:张苏豪朱湘飞郭连波郑昌军刘欣欣
申请(专利权)人:武汉敢为科技有限公司
类型:发明
国别省市:

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