专利名称：一种基于可调谐激光吸收技术的痕量气体分析装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及气体分析领域，尤其涉及一种基于可调谐激光吸收技术的痕量气体分析装置。
背景技术：
大气中除了氮氧之外还包括许多痕量气体成分，比如水分(与气象变化有关)、二氧化碳、甲烷(温室气体)、氮硫的氧化物(与大气污染有关)等。这些气体成分与灾害性天气、环境变化、航空航天以及中高层大气中复杂的光化学过程紧密相关，是大气科学、环境科学和空间物理学等共同关心的课题。然而，对痕量气体的分析和研究，尤其是中高层大气中的痕量气体的分析和研究，长期以来还相当薄弱。其关键原因在于缺少有效的探测技术和探测设备。其技术难点，一是在于离地面较高，温度和力学条件极端特殊，许多近地面常用的气体分析仪器不能使用或不能取得较好的测量结果；二是在于该中高层大气为中性稀薄复杂混合气体，对其中的痕量组分进行探测和分析难度很大。因此，需要提供一种基于可调谐激光吸收技术的痕量气体分析装置以解决上述问题。

实用新型内容为了解决该问题，本实用新型公开了一种基于可调谐激光吸收技术的痕量气体分析装置，所述分析装置包括光学模块、流体模块、电子模块和机械封装模块，所述光学模块包括可调谐半导体激光器、中空光导和二极管激光接收器，所述中空光导设置在所述可调谐半导体激光器与所述二极管激光接收器之间，所述流体模块包括采样净化室，所述采样净化室通过第一管道与所述中空光导的末端连接，所述中空光导的首端连接有第二管道以排出气体，所述电子模块包括半导体激光器调谐控制装置、信号处理与分析装置、温度控制装置和雷达通讯装置，所述机械封装模块用以封装上述的各个部件并进行温度控制和机械支持防护。较佳地，所述可调谐半导体激光 器采用应用量子级联激光器。较佳地，所述流体模块采用柱形过滤阵列分离较大颗粒，采用多孔材料分离较小颗粒。较佳地，所述流体模块上还设置有无阀门的压电高频震荡的压力泵。较佳地，所述电子模块还包括第一级温度控制装置和第二级温度控制装置。较佳地，所述第一级温度控制装置采用反馈控制，所述第二级温度控制装置使用前馈加反馈控制。较佳地，所述机械封装模块采用低温共烧陶瓷基片并在其上进行塑封。通过本实用新型的基于可调谐激光吸收技术的痕量气体分析装置，可以对中高层大气进行直接、精细的成分分析，是一种微小化、低成本、高精度、高可靠的中高层大气成分分析装置。[0012]在实用新型内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式
部分中进一步详细说明。本实用新型内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
以下结合附图，详细说明本实用新型的优点和特征。

图I是根据本实用新型一个实施例的基于可调谐激光吸收技术的痕量气体分析装置的示意图；图2是气体成分分析的工作原理图。
具体实施方式在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本实用新型更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本实用新型可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本实用新型发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。为了彻底了解本实用新型，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本实用新型的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本实用新型的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本实用新型还可以具有其他实施方式。以下参考附图对本实用新型的实施例做出详细描述。本实用新型的基于可调谐激光吸收技术的痕量气体分析装置包括光学模块、流体模块、电子模块和机械封装模块。光学模块包括可调谐半导体激光器101、中空光导102和二极管激光接收器103，中空光导102设置在可调谐半导体激光器101与二极管激光接收器103之间。可调谐半导体激光器101发出的激光通过中空光导102后由二极管激光接收器103接收。在中空光导102通入样本气体，样本气体吸收其中通过的激光，通过测量激光通过样本气体前后的光强，在气体的压力、光程、工作温度、气体吸收谱线在该温度时的谱线强度以及气体在该吸收谱线的线型函数已知的情况下，就能计算出气体组分的浓度。这种计算方法是现有技术中所公知的，在此不再赘述。流体模块包括采样净化室201，采样净化室201通过第一管道202与上述的中空光导102的末端连接，中空光导102的首端连接有第二管道203以排出气体。电子模块300包括1)半导体激光器调谐控制装置；2)信号处理与分析装置；3)温度控制装置；4)雷达通讯装置。半导体激光器调谐控制装置与可调谐半导体激光器101连接以对其进行控制。机械封装模块400用以封装上述的各个部件并进行温度控制和机械支持防护。较佳地，上述的可调谐半导体激光器101采用应用量子级联激光器(QCL)。这样可以在很大程度上减少吸收光程短的困难，其原因在于量子级联激光器可以工作在中红外波段，是绝大部分气体分子旋转或伸展能量的基带(Fundamental Band)所在区间吸收特别强。可以通过计算，找到对待测气体吸收最强，而不受中高层大气中其他成分干扰的谱线。应用量子级联激光器，可能实现PPb量级(十亿分之一)的精确测量。即使由于短光程的影响使测量精度降低1-2个数量级，对中高层大气成分的测量而言仍不失为极其精细。混合光程的问题则可能通过2f调制的办法解决。其基本思路是在激光器线性扫过被测气体特征谱线的同时，附加一个频率为f的简谐调制信号，测量结果则由两倍频(即2f)信号的幅值与直流光强之比获得，如图2所示，由此消除静态不均匀性的影响。与自身光学信号总的强弱进行归一化的另一个好处是使得测量结果对光导内壁的污染，激光器和接收器的老化等不敏感，使之可能随民航飞机反复使用，从而进一步降低大气探测的成本，拓展大气探测的平台。上述的流体模块可以采用柱形过滤阵列以分离较大颗粒，多孔材料分离较小颗粒。流体模块上还可以设置有无阀门的压电高频震荡的压力泵以用作气体分离和输送的动力源。 为了实现精确的温度控制，电子模块可以采取两级温度控制的办法。为此，电子模块还可以包括第一级温度控制装置301和第二级温度控制装置302。第一级温度控制装置301使用反馈控制，使整个微型系统的温度变化不超过10度。第二级温度控制装置302使用前馈加反馈的方法，使激光器的温度变化控制在0. 01度或者更小。半导体激光器的调制和信号处理与分析将按照图2所示的方法实施。通过无线电探空仪与地面雷达通讯，将遵循已有的通讯协议。机械封装模块可以采用低温共烧陶瓷(LTCC, Low Temperature Co-firedCeramic)基片上并在其上进行塑封(Mold)，以保证抗摔打，抗热震。对于上述的温度控制装置(主要是第二级温度控制装置对激光器的温度控制)则可以采用嵌入式超晶格薄膜(Superlattice Thin Film)热电单兀。通过本实用新型的基于可调谐激光吸收技术的痕量气体分析装置，可以对中高层大气进行直接、精细的成分分析，是一种微小化、低成本、高精度、高可靠的中高层大气成分分析装置。本实用新型已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本实用新型限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本实用新型并不局限于上述实施例，根据本实用新型的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本实用新型所要求保护的范围以内。本实用新型的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
权利要求1.一种基于可调谐激光吸收技术的痕量气体分析装置，其特征在于，所述分析装置包括光学模块、流体模块、电子模块和机械封装模块，所述光学模块包括可调谐半导体激光器、中空光导和二极管激光接收器，所述中空光导设置在所述可调谐半导体激光器与所述二极管激光接收器之间，所述流体模块包括采样净化室，所述采样净化室通过第一管道与所述中空光导的末端连接，所述中空光导的首端连接有第二管道以排出气体，所述电子模块包括半导体激光器调谐控制装置、信号处理与分析装置、温度控制装置和雷达通讯装置，所述机械封装模块用以封装上述的各个部件并进行温度控制和机械支持防护。
2.根据权利要求I所述的痕量气体分析装置，其特征在于所述可调谐半导体激光器采用应用量子级联激光器。
3.根据权利要求2所述的痕量气体分析装置，其特征在于所述流体模块采用柱形过滤阵列分离大颗粒，采用多孔材料分离小颗粒。
4.根据权利要求3所述的痕量气体分析装置，其特征在于所述流体模块上还设置有无阀门的压电高频震荡的压力泵。
5.根据权利要求4所述的痕量气体分析装置，其特征在于所述电子模块还包括第一级温度控制装置和第二级温度控制装置。
6.根据权利要求5所述的痕量气体分析装置，其特征在于所述第一级温度控制装置采用反馈控制，所述第二级温度控制装置使用前馈加反馈控制。
7.根据权利要求6所述的痕量气体分析装置，其特征在于所述机械封装模块采用低温共烧陶瓷基片并在其上进行塑封。
专利摘要本实用新型公开了一种基于可调谐激光吸收技术的痕量气体分析装置，所述分析装置包括光学模块、流体模块、电子模块和机械封装模块。通过本实用新型的基于可调谐激光吸收技术的痕量气体分析装置，可以对中高层大气进行直接、精细的成分分析，是一种微小化、低成本、高精度、高可靠的中高层大气成分分析装置。
文档编号G01N21/39GK202362243SQ20112036725
公开日2012年8月1日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30日
发明者刘翔, 胡雪蛟 申请人:武汉米字科技有限公司