专利名称：利用积分球结合二极管激光吸收光谱技术的气体浓度监测装置及基于该监测装置的监测方法
技术领域：
本发明涉及一种气体浓度监测装置及基于该监测装置的监测方法。
背景技术：
气体浓度实时在线监测在工业生产、生物医药及环境监测领域都具有非常重要的意义。在各种气体监测技术日益成熟的今天，人们在追求高灵敏度的同时也在追求仪器的小型化和低成本。可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable diode laser absorptionspectroscopy-TDLAS)具有高灵敏、高分辨、高速度、可实时在线监测的优点使其成为目前 光学气体监测的主流方法。为了提高探测灵敏度，在TDLAS的基础上增加光程是提高探测灵敏度的最直接有效的手段。多通池具有很强的延长光程的能力，也是目前最常用光程延长方法，但多通池对入射角有一定的要求才能实现较好的光路延长，而且入射角微小的变化都会导致很大的光程改变，所以稳定性及重复性较差，而其内部精密的光学器件又导致多通池具有较高的价格，进而提高整个探测系统的成本。积分球(Integrating Spheres, IS)是通常被用来测量光照度的装置，由于其内部特殊的球腔结构，对于入射到积分球内部的光起到平均延长的作用，故可将气体池应用于气体检测领域中。而且由于积分球外形紧凑，空间占用率较小，且价格低廉，非常适合开发高灵敏、低成本、小型化的气体监测装置。

发明内容
本发明是为了解决现有的气体浓度监测装置的灵敏度低、小型化程度差的问题，从而提供一种利用积分球结合二极管激光吸收光谱技术的气体浓度监测装置及基于该监测装置的监测方法。利用积分球结合二极管激光吸收光谱技术的气体浓度监测装置，其特征是它包括调制正弦波信号发生器、扫描锯齿波信号发生器、耦合器、电流控制器、可调谐二极管激光器、准直透镜、积分球、聚焦透镜、光探测器、采集卡和计算机；调制正弦波信号发生器的调制正弦波信号输出端与耦合器的调制正弦波信号输入端连接；扫描锯齿波信号发生器的扫描锯齿波信号输出端与耦合器的扫描锯齿波信号输入端连接；耦合器的耦合后信号输出端与电流控制器的耦合后信号输入端连接；电流控制器的控制信号输出端与可调谐二极管激光器的控制信号输入端连接；可调谐二极管激光器发出激光光束，所述激光光束入射至准直透镜，经所述准直透镜透射后通过积分球的入光孔入射进积分球内，并在积分球内多次均匀散射形成均匀光场，部分散射光通过积分球的出射孔入射至聚焦透镜，经所述聚焦透镜聚焦至光探测器的感光面；所述光探测器的电信号输出端与采集卡的电信号输入端连接；调制正弦波信号发生器的触发信号输出端与采集卡的触发信号输入端连接；采集卡的探测信号输出端与计算机的PCI接口的连接。基于上述装置的利用积分球结合二极管激光吸收光谱技术的气体浓度监测方法，它由以下步骤实现步骤一、将待测气体充入积分球内；采用调制正弦波信号发生器产生调制正弦波信号；米用扫描锯齿波信号发生器产生扫描锯齿波信号；步骤二、采用耦合器将步骤一中产生的调制正弦波信号和扫描锯齿波信号进行耦合，并将耦合后的信号输入至电流控制器；步骤三、电流控制器根据步骤二中的耦合后的信号控制可调谐二极管激光器的工作电流参数和工作温度参数，可调谐二极管激光器根据所述工作电流参数和工作温度参数产生激光光束；
步骤四、采用准直透镜对步骤三产生的激光光束进行准直，所述准直后的激光光束通过积分球的入光孔入射进积分球内，并在积分球内的待测气体中进行多次均匀散射形成均匀光场，同时与待测气体相互作用，部分散射光通过积分球的出射孔出射；采用聚焦透镜将多路反射光聚焦至光探测器的感光面；步骤五、采用调制正弦波信号发生器产生TTL触发信号，触发采集卡实时采集光探测器输出的信号；并输入至计算机中；步骤六、计算机将采集卡发送的信号进行解调，获得吸收信号，将所述吸收信号根据比尔吸收定律和积分球等效路径计算出待测气体的浓度；实现利用积分球结合二极管激光吸收光谱技术的气体浓度监测。本发明能够实现气体浓度的实时监测，其高灵敏度、低成本低、小型化程度好。本发明在继承TDLAS技术优势的基础上，利用积分球延长光程，进一步提高探测灵敏度。由于积分球外观紧凑，非常便于仪器的小型化，而且与多通池相比成本非常低廉。积分球对入射角没有要求，提高测量的稳定性和重复性，同时还具有响应速度快、可靠性高、维护简单、实时性强、在线监测等优点。


图I是本发明的利用积分球结合二极管激光吸收光谱技术的气体浓度监测装置的结构示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一、结合图I说明本具体实施方式
，利用积分球结合二极管激光吸收光谱技术的气体浓度监测装置，它包括调制正弦波信号发生器I、扫描锯齿波信号发生器
2、耦合器3、电流控制器4、可调谐二极管激光器5、准直透镜6、积分球7、聚焦透镜8、光探测器9、采集卡10和计算机11;调制正弦波信号发生器I的调制正弦波信号输出端与耦合器3的调制正弦波信号输入端连接；扫描锯齿波信号发生器2的扫描锯齿波信号输出端与耦合器3的扫描锯齿波信号输入端连接；耦合器3的耦合后信号输出端与电流控制器4的耦合后信号输入端连接；电流控制器4的控制信号输出端与可调谐二极管激光器5的控制信号输入端连接；
可调谐二极管激光器5发出激光光束，所述激光光束入射至准直透镜6，经所述准直透镜6透射后通过积分球7的入光孔入射进积分球7内，并在积分球7内多次反均匀散形成均匀光场，部分散射光通过积分球7的出射孔入射至聚焦透镜8，经所述聚焦透镜8聚焦至光探测器9的感光面；所述光探测器9的电信号输出端与采集卡10的电信号输入端连接；调制正弦波信号发生器I的触发信号输出端与采集卡10的触发信号输入端连接；采集卡10的探测信号输出端与计算机11的PCI接口的连接。所述的积分球外部包括进光孔、出光孔、进气孔和出气孔四个接口。工作原理本发明使用波长调制光谱技术，实现方法将一个较高频率的调制正弦波信号和一个低频的扫描锯齿波信号耦合加载到激光器的注入电流中，通过调整激光控制器的温度和电流，使得激光器输出的中心波长能完整地扫描过待测气体吸收线。激光通过积分球的入光孔进入积分球内，进过多次均匀反射，在积分球内部形成均匀光场，出射孔气体的调制吸收信号通过光电探测器转化成电压信号被数据卡采集，最终被送入计算机处 理，基于LabVIEW软件编写的软件锁相程序可以对调制信号进行解调，并得到其二次谐波分量的大小。根据Beer-Lambert定律和积分球等效路径原理可以推导出被测气体浓度信肩、O具体实施方式
二、本具体实施方式
与具体实施方式
一所述的利用积分球结合二极管激光吸收光谱技术的气体浓度监测装置的区别在于，积分球7的内壁涂有从可见波段到近红外波段的高反膜。
具体实施方式
三、基于具体实施方式
一的利用积分球结合二极管激光吸收光谱技术的气体浓度监测方法，它由以下步骤实现步骤一、将待测气体充入积分球内；采用调制正弦波信号发生器I产生调制正弦波信号；米用扫描锯齿波信号发生器2产生扫描锯齿波信号；步骤二、采用耦合器3将步骤一中产生的调制正弦波信号和扫描锯齿波信号进行耦合，并将耦合后的信号输入至电流控制器4 ；步骤三、电流控制器4根据步骤二中的耦合后的信号控制可调谐二极管激光器5的工作电流参数和工作温度参数，可调谐二极管激光器5根据所述工作电流参数和工作温度参数产生激光光束；步骤四、采用准直透镜6对步骤三产生的激光光束进行准直，所述准直后的激光光束通过积分球7的入光孔入射进积分球7内，并在积分球7内的待测气体中进行多次均匀散射形成均匀光场，同时与待测气体相互作用，部分散射光通过积分球7的出射孔出射；采用聚焦透镜8将多路反射光聚焦至光探测器9的感光面；步骤五、采用调制正弦波信号发生器I产生TTL触发信号，触发采集卡10实时采集光探测器9输出的信号；并输入至计算机11中；步骤六、计算机11将采集卡10发送的信号进行解调，获得吸收信号，将所述吸收信号根据比尔吸收定律和积分球等效路径计算出待测气体的浓度；实现利用积分球结合二极管激光吸收光谱技术的气体浓度监测。本实施方式中,Beer-Lambert定律和积分球等效路径原理均为光学领域现有的常规技术。
本实施方式中，对于给定的一个积分球，则待测气体浓度的表达式可以表不为N=3kAA/2 α MD式中N为积分球中待测气体浓度，k为谐波信 号和直接吸收信号比例系数。Λ A谐波信号面积，α是待测气体的吸收截面，M是积分球的反射系数，D为积分球的直径。
权利要求
1.利用积分球结合二极管激光吸收光谱技术的气体浓度监测装置，其特征是它包括调制正弦波信号发生器(I)、扫描锯齿波信号发生器(2)、耦合器(3)、电流控制器(4)、可调谐二极管激光器(5)、准直透镜(6)、积分球(7)、聚焦透镜(8)、光探测器(9)、采集卡(10)和计算机(11); 调制正弦波信号发生器(I)的调制正弦波信号输出端与耦合器(3)的调制正弦波信号输入端连接；扫描锯齿波信号发生器(2)的扫描锯齿波信号输出端与耦合器(3)的扫描锯齿波信号输入端连接；耦合器(3)的耦合后信号输出端与电流控制器(4)的耦合后信号输入端连接；电流控制器(4)的控制信号输出端与可调谐二极管激光器(5)的控制信号输入端连接； 可调谐二极管激光器(5)发出激光光束，所述激光光束入射至准直透镜(6)，经所述准直透镜(6 )透射后通过积分球(7 )的入光孔入射进积分球(7 )内，并在积分球(7 )内多次均匀散射形成均匀光场，部分散射光通过积分球(7)的出射孔入射至聚焦透镜(8)，经所述聚焦透镜(8)聚焦至光探测器(9)的感光面； 所述光探测器(9)的电信号输出端与采集卡(10)的电信号输入端连接；调制正弦波信号发生器(I)的触发信号输出端与采集卡(10)的触发信号输入端连接；采集卡(10)的探测信号输出端与计算机(11)的PCI接口的连接。
2.根据权利要求I所述的利用积分球结合二极管激光吸收光谱技术的气体浓度监测装置，其特征在于积分球(7)的内壁涂有从可见波段到近红外波段的高反膜。
3.基于权利要求I的利用积分球结合二极管激光吸收光谱技术的气体浓度监测方法，其特征是它由以下步骤实现 步骤一、将待测气体充入积分球内；采用调制正弦波信号发生器(I)产生调制正弦波信号；米用扫描锯齿波信号发生器(2)产生扫描锯齿波信号； 步骤二、采用耦合器(3)将步骤一中产生的调制正弦波信号和扫描锯齿波信号进行耦合，并将耦合后的信号输入至电流控制器(4)； 步骤三、电流控制器(4)根据步骤二中的耦合后的信号控制可调谐二极管激光器(5)的工作电流参数和工作温度参数，可调谐二极管激光器(5)根据所述工作电流参数和工作温度参数产生激光光束； 步骤四、采用准直透镜(6 )对步骤三产生的激光光束进行准直，所述准直后的激光光束通过积分球(7)的入光孔入射进积分球(7)内，并在积分球(7)内的待测气体中进行多次均匀散射形成均匀光场，同时与待测气体相互作用，部分散射光通过积分球(7)的出射孔出射；采用聚焦透镜(8)将多路散射光聚焦至光探测器(9)的感光面； 步骤五、采用调制正弦波信号发生器(I)产生TTL触发信号，触发采集卡(10)实时采集光探测器(9)输出的信号；并输入至计算机(11)中； 步骤六、计算机(11)将采集卡(10)发送的信号进行解调，获得吸收信号，将所述吸收信号根据比尔吸收定律和积分球等效路径计算出待测气体的浓度；实现利用积分球结合二极管激光吸收光谱技术的气体浓度监测。
全文摘要
利用积分球结合二极管激光吸收光谱技术的气体浓度监测装置及基于该监测装置的监测方法，涉及一种气体浓度监测装置及基于该监测装置的监测方法。它是为了解决现有的气体浓度监测装置的灵敏度低、小型化程度差的问题。本发明采用二极管激光器做为光源，其输出光经过一个准直透镜后由积分球的入光孔进入积分球，积分球内充有未知浓度的待测气体，激光与气体相互作用，同时在积分球内经过多次均匀散射后形成均匀光场，由积分球出光孔出射，出射光信号被聚焦透镜聚焦到探测器光接收面上并转换成电信号由数据采集卡采集，数据通过PCI接口输入到计算机进行处理，得出待测气体浓度。本发明适用于气体浓度监测。
文档编号G01N21/39GK102830088SQ20121031521
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者高强, 张治国, 曹文武 申请人:昆山昱翌辉华电子科技有限公司