基于同步扫描和频半导体激光的汞气检测装置制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种基于两只半导体激光器的气态元素汞浓度检测装置，包括激光器控制器，红光半导体激光器，蓝光半导体激光器，二色向镜，消色差凸透镜，偏硼酸钡(BBO)晶体，凸透镜，紫外高反镜，分光镜，参考汞池，零气气池，样品汞池，可切换汞池座，探测器，信号控制分析器，所涵盖的技术主要是内插法，实现了对元素汞浓度的实时监测，满足工业汞排放监测需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于工业汞排放在线监测领域，具体涉及一种基于同步扫描和频半导体激光的汞气检测装置。
技术介绍
汞被公认为是一种有毒的污染物，可以严重损害人体的神经系统。大气中的汞污染30%来自人为排放，特别是燃煤热电厂的废气排放。为了减少汞对环境和人类健康的有害影响，2013年包括中国在内的100多个国家共同签署了《关于汞的水俣公约》。无论是对工业汞气排放的实时监督还是对脱汞效率的有效评估，都需要高效的测汞技术。传统的汞气测量技术采用湿化学法（主要是安大略法）。尽管这种方法具有很高的灵敏度，但耗时长，无法用做实时的监测手段。目前市场上可以实现汞含量在线实时监测的产品都基于光学原理，主要包括冷原子吸收光谱法和冷原子荧光光谱法。这两种技术均采用汞灯作为光源，但是汞灯的使用寿命短（2000个小时），导致系统维护频次高、成本高。专利号为ZL201210055105的专利技术专利，公开了一种基于二极管激光的汞气连续监测装置及监测方法，可以实现对汞气浓度的实时连续监测。但这套系统存在一些明显问题有待解决：一是单个激光扫描波长范围不够，容易错过吸收峰，难以保证长期稳定测量；二是使用三棱镜作为分光元件，需要较长的光程才能将和频生成的紫外光从基频光中分离开，而在高度紧凑系统中，分光能力弱会导致信噪比的降低；三是由于只有一个参考汞池作为标定，在高浓度时由于吸收信号的非线性增强，所测量得到的浓度会有较大偏差，减低了系统的线性响应范围。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有的基于汞灯的汞气监测技术所面临的光源寿命短导致维护成本高的问题，以及现有的基于和频激光的汞气监测技术所面临的吸收信号不稳定，检测极限不够低，测量浓度线性范围不够宽等问题，提供一种基于同步扫描和频半导体激光的汞气检测装置。基于同步扫描和频半导体激光的汞气检测装置，包括由红色半导体激光器，蓝色半导体激光器，二色向镜，消色差凸透镜，偏硼酸钡（BBO）晶体，凸透镜，第一紫外高反镜，第二紫外高反镜，分光镜，可切换汞池座，参考汞池，零气气池，第三紫外高反镜，第一探测器，样品气池，第二探测器，信号控制分析器。激光控制器的电流与温度控制输出端连接半导体激光器的电流与温度控制输入端。蓝色半导体激光器发出的光束经二色向镜反射，红色半导体激光器发出的光束经二色向镜透射，两束光束重合并打在消色差凸透镜上，后聚焦到偏硼酸钡晶体中心。经偏硼酸钡晶体的出射光经凸透镜准直，依次经过第一紫外高反镜，第二紫外高反镜，并经分光镜分成两束。一束光经分光镜后入射至可切换汞池座，上面安装有不同厚度的参考汞池以及零气气池，经过参考汞池或零气气池的透射光被第一探测器接收。另一束光经过第三紫外高反镜反射后通过样品气池，再被第二探测器接收。第一与第二探测器感光面均安装有紫外干涉滤光片。两路探测器输出的电信号接入信号控制分析器进行信号处理。信号控制分析器的三个输出端分别连接红光半导体激光器、蓝光半导体激光器以及可切换汞池座。红光半导体激光器的输出波长在650~710nm的范围内，输出功率不小于20mW；蓝光半导体激光器的输出波长在395~415nm的范围内，输出功率不小于10mW。消色差凸透镜和凸透镜的焦距在1~15cm范围内。紫外高反镜在253.7nm附近反射率率大于95%，在395~415nm和650~710nm处反射率小于10%。参考汞池中汞蒸气的浓度与参考汞池中的光程长度的乘积在1~100μg/m2范围内。零气气池与参考气池两侧玻璃材料为JGS1熔融石英，JGS1JGS1熔融石英通常用于紫外、可见光波段、材料不含气泡和杂质。可切换汞池座可安装零气气池，0.5、1.0、1.5、2.0、2.5mm参考汞池，各气池均匀排列于可切换汞池座上，可以依次切换，且切换时间不超过1秒。紫外干涉滤光片透过曲线半峰宽小于20nm，在254nm处透过率大于10%，在395~415nm和650~710nm处透过率小于0.01%。探测器为日盲型光电倍增管，探测器的输出光电流经跨阻放大后在254nm处的响应率大于100mV/nW，在395~415nm和650~710nm处的响应率小于100μV/nW，3dB带宽大于5kHz。信号控制分析器提供给红光及蓝光半导体激光器的信号为锯齿波电压信号，频率在5~50kHz范围内，单个周期内锯齿先上升后下降。一种基于同步扫描和频半导体激光的汞气检测装置按如下方法测量样品气池中的汞气浓度：步骤一，旋转可切换汞池座，依次测量零气，0.5、1.0、1.5、2.0、2.5mm标准浓度汞池的吸收信号，探测器1所得信号依次标记为I0，I1，I2，I3，I4，I5；步骤二，根据下式计算标准浓度下，不同光程情况下的吸收信号幅值，得到标准浓度下，光程与吸收信号幅值曲线；Ai=1-Ii/Io(i=1…5)步骤三，同时监测样品汞池的信号Is，步骤四，根据下式计算样品汞池吸收信号幅值：As=1-Is/(k*Io+b)其中k和b为最佳拟合参数，可以使得在非吸收区域Is与（k*Io+b）的相关性达到0.995以上；步骤五，根据As值以及光程与吸收信号幅值曲线，使用内插算法，得到该As值对应标准浓度汞池的厚度L；步骤六，由步骤五所得的参数L，根据下式计算得到样品气体中元素汞浓度Cs：CS=CRL/LS其中CR为参考汞池中气态元素汞标准浓度，LS为样品气池长度。本专利技术的有益效果是：（1）采用半导体激光器作为光源，相较基于汞灯的测汞装置，光源寿命更长，输出功率更稳定；（2）本专利技术红光与蓝光激光器同时扫描，增加了两支激光器波长匹配概率，提高了系统稳定性；（3）本专利技术采用两片紫外高反镜结合日盲型光电倍增管有效探测紫外光，相比于采用分光棱镜的方式，本专利技术的方法对基频红光与蓝光抑制效果更好，获得的信噪比更高；（4）本专利技术采用可切换汞池座配以零气与不同厚度标准浓度汞池，因而可以得到浓度变化带来吸收信号变化曲线，可以克服浓度高时吸收信号非线性变化的影响，扩大系统浓度线性测量范围。本专利技术可以达到的气态元素汞最低检测限低于0.1μg/m3，响应时间小于10s，满足工业废气排放中汞含量实时监测的要求，适用于工业汞气排放实时监测领域。附图说明图1为本专利技术的装置结构示意图。其中1-红色半导体激光器，2-蓝色半导体激光器，3-二色向镜，4-消色差凸透镜，5-偏硼酸钡（BBO）晶体，6-凸透镜，7-第一紫外高反镜，8-第二紫外高反镜，9-分光镜，10-可切换汞池座，11-参考汞池，12-零气气池，13-第三紫外高反镜，14-第一探测器，15-样品气池，16-第二探测器，17-信号控制分析器。具体实施方式具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式,本实施方式所述基于倍频半导体激光的气态元素汞浓度检测装置，包括红色半导体激光器1，蓝色半导体激光器2，二色向镜3，消色差凸透镜4，偏硼酸钡（BBO）晶体5，凸透镜6，第一紫外高反镜7，第二紫外高反镜8，分光镜9，可切换汞池座10，参考汞池11，零气气池12，第三紫外高反镜13，样品气池15，第一探测器14，第二探测器16，信号控制分析器17。信号控制分析器17的电流与温度控制输出端连接红色半导体激光器1和蓝色半导体激光器2的电流与温度控制输入端。蓝色半导体激光器2发出的光束经二色向镜反射3，红色半导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于同步扫描和频半导体激光的汞气检测装置，其特征在于它由红色半导体激光器，蓝色半导体激光器，二色向镜，消色差凸透镜，偏硼酸钡晶体，凸透镜，第一紫外高反镜，第二紫外高反镜，分光镜，第三紫外高反镜，可切换汞池座，样品气池，第一探测器，第二探测器，信号控制分析器组成，信号控制分析器的电流与温度控制输出端与红色半导体激光器和蓝色半导体激光器的电流与温度控制输入端连接，蓝色半导体激光器发出的光束和红色半导体激光器发出的光束经二色向镜反射，两束光束重合并打在消色差凸透镜上，后聚焦到偏硼酸钡晶体中心，经偏硼酸钡晶体的出射光经凸透镜准直，依次经过第一紫外高反镜，第二紫外高反镜，并经分光镜分成两束，一束光经入射至可切换汞池座，上面安装有不同厚度的参考汞池以及零气气池，透射光被第一探测器接收；另一束光经过第三紫外高反镜反射后通过样品气池，再被第二探测器接收，两路探测器输出的电信号接入信号控制分析器进行信号处理，信号控制分析器的三个输出端分别连接红光半导体激光器、蓝光半导体激光器以及可切换汞池座。

【技术特征摘要】
1.一种基于同步扫描和频半导体激光的汞气检测装置，其特征在于它由红色半导体激光器，蓝色半导体激光器，二色向镜，消色差凸透镜，偏硼酸钡晶体，凸透镜，第一紫外高反镜，第二紫外高反镜，分光镜，第三紫外高反镜，可切换汞池座，样品气池，第一探测器，第二探测器，信号控制分析器组成，信号控制分析器的电流与温度控制输出端与红色半导体激光器和蓝色半导体激光器的电流与温度控制输入端连接，蓝色半导体激光器发出的光束和红色半导体激光器发出的光束经二色向镜反射，两束光束重合并打在消色差凸透镜上，后聚焦到偏硼酸钡晶体中心，经偏硼酸钡晶体的出射光经凸透镜准直，依次经过第一紫外高反镜，第二紫外高反镜，并经分光镜分成两束，一束光经入射至可切换汞池座，上面安装有不同厚度的参考汞池以及零气气池，透射光被第一探测器接收；另一束光经过第三紫外高反镜反射后通过样品气池，再被第二探测器接收，两路探测器输出的电信号接入信号控制分析器进行信号处理，信号控制分析器的三个输出端分别连接红光半导体激光器、蓝光半导体激光器以及可切换汞池座。2.根据权利要求1所述的基于同步扫描和频半导体激光的汞气检测装置，其特征在于所述可切换汞池座包括参考汞池和零气气池。3.根据权利要求1所述的基于同步扫描和频半导体激光的汞气检测装置，其特征在于红光半导体激光器的输出波长在650~710nm的范围内；蓝光半导体激光器的输出波长在395~415nm的范围内。4.根据权利要求1所述的基于同步扫描和频半导体激光的汞气检测装置，其特征在于消色差凸透镜和凸透镜的焦距在1~15cm范围内。5.根据权利要求1所述的基于同步扫描和频半导体激光的汞气检测装置，其特征在于紫外高反镜在253.7nm附近透射率不低于95%，在395~415nm和650~710nm处透过率小于10%。6.根据权利要求1所述的基于同步扫描和频半导体激光的汞气检测装置，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：娄秀涛，张铁，林宏泽，万莉，王俊楠，何赛灵，
申请(专利权)人：苏州瑞蓝环保科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32