基于倍频半导体激光的气态元素汞浓度检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于倍频半导体激光的气态元素汞浓度检测装置，包括：激光控制器、半导体激光器、光栅、光栅控制器、反射镜、第一凸透镜、BBO晶体、第二凸透镜、分光棱镜、可切换汞池安装座、参考汞池、零气气池、位移控制器、样品气池、干涉滤光片、探测器、信号分析器。本发明专利技术能对样品气池中汞气浓度进行测量，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】

本专利技术涉及基于倍频半导体激光的气态元素汞浓度检测装置及方法。
技术介绍
大气中的汞污染主要来自人工排放与自然排放，而人工排放主要来自工业烟气特别是热电厂的烟气排放。我国的能源结构中煤炭占有很大比重，而煤矿中含有较高含量的汞。因此，燃煤烟气排放中的元素汞气是我国汞污染的主要来源。燃煤排放汞污染物以气态元素汞为主要形式，其总汞的含量可以通过热催化或化学转化的方式将其它氧化物形态的汞转化为元素汞来测得。传统的汞气测量技术采用湿化学法，尽管这种方法具有很高的灵敏度，但耗时长，无法作为实时的监测手段。目前只有基于光学原理的测汞技术可以实现在线实时监测，主要以冷原子吸收法和冷原子荧光光谱法为主。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。此外，汞灯工作在上百伏的高电压下，导致其发光功率不稳定，进而导致系统测量得到汞气浓度与真实值有较大误差。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。但是基于和频技术的测汞装置需要将两束激光严格重合共线，因此对震动敏感，导致紫外光合成效率低，降低了系统灵敏度，系统的长期稳定性难以得到保证。此外，和频技术需要采用套独立的激光器和相关的电子控制器件和光学器件，导致系统复杂，难以小型化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于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和功率不稳定的问题，以及基于和频二极管激光的汞气监测技术所面临的易受环境震动干扰和系统复杂等问题，提供一种基于倍频半导体激光的气态元素汞浓度检测装置及方法,其能对样品气池中汞气浓度进行测量，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。为实现上述目的，本专利技术提供一种基于倍频半导体激光的气态元素汞浓度检测装置，包括：激光控制器、半导体激光器、光栅、光栅控制器、反射镜、第一凸透镜、BBO(偏硼酸钡)晶体、第二凸透镜、分光棱镜、可切换汞池安装座、参考汞池、零气气池、位移控制器、样品气池、干涉滤光片、探测器、信号分析器；所述信号分析器设有信号输入端和三个信号输出端；所述信号分析器的信号输入端连接探测器的信号输出端；所述信号分析器的三个信号输出端分别连接激光控制器、光栅控制器和位移控制器的信号输入端；所述激光控制器的信号输出端连接半导体激光器的信号输入端；所述光栅固定于光栅控制器上；所述光栅控制器用于调整光栅偏摆角度；所述参考汞池和零气气池安装在可切换汞池安装座上；所述可切换汞池安装座的信号输入端连接位移控制器的信号输出端；所述可切换汞池安装座根据位移控制器发出的控制信号来控制参考汞池和零气气池的切换；所述半导体激光器发出的准直光束入射至光栅，经光栅衍射后的第零级光束入射至反射镜，经反射镜反射后的光束入射至第一凸透镜，经第一凸透镜汇聚后的光束聚焦于BBO晶体中，由BBO晶体出射的光束经过第二凸透镜准直后入射至分光棱镜，由分光棱镜分离出的紫外激光入射至参考汞池或零气气池，由参考汞池或零气气池出射的紫外激光依次经过样品气池和干涉滤光片后被探测器接收。优选的，所述半导体激光器的输出功率不小于10mW，输出波长为502～512nm；所述光栅的刻线密度为1200～3600线/mm。优选的，所述第一凸透镜和第二凸透镜的焦距为1～10cm；所述第二凸透镜和分光棱镜在254nm处的透过率都大于85％。优选的，所述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为1～100μg/m2。优选的，所述零气气池的长度与参考气池长度一致。优选的，所述参考汞池和零气气池间的切换时间小于1s。优选的，所述干涉滤光片，其透过曲线半峰宽小于20nm，254nm处透过率大于10％，507nm处透过率小于0.01％。优选的，所述探测器为光电倍增管或硅光电二极管，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，3dB带宽大于1kHz。优选的，所述信号分析器提供给激光控制器的信号为锯齿波或三角波电压信号，频率为10～10kHz。本专利技术还提供上述气态元素汞浓度检测装置对样品气池中汞气浓度进行测量的方法，包括如下步骤：步骤一，样品气池充入滤除汞之后的空气，零气气池切入光路，探测器测得此时的信号为无吸收原始光强信号I0；步骤二，零气气池切出光路，参考汞池切入光路，探测器测得此时的信号为参考汞气光强信号IR；步骤三，参考汞池切出光路，零气气池切入光路，样品气池中充入待测气体，探测器测得此时的信号为样品气体光强信号IS；步骤四，根据下式计算参考汞气吸收信号R：R＝ln(I0/IR)；判断参考汞气吸收信号R的大小，若R大于0.05则直接进行下一步骤；若R小于0.05则通过信号分析器提供给光栅控制器一个扫描电压，最终电压定位在扫描电压范围内获得最大R值的位置处，重新计算参考汞气吸收信号，然后执行下一步骤；步骤五，根据下式计算样品气体吸收信号S：S＝ln(I0/IS)；步骤六，对样品气体吸收信号S和参考汞气吸收信号R按照如下方程式实施多元线性回归：S(X)＝A1R(X)+A2+A3X+A4X2其中X代表信号的第X个数据点，A1、A2、A3、A4为最佳适配参数，使得S(X)的值达到最小；步骤七，由步骤六所得的参数A1，根据下式计算得到样品气体中元素汞浓度CS：CS＝CRA1LR/LS其中CR为参考汞池中气态元素汞浓度，LR为参考汞池长度，LS为样品气池长度。本专利技术的优点和有益效果在于：提供一种基于倍频半导体激光的气态元素汞浓度检测装置及方法,其能对样品气池中汞气浓度进行测量，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。本专利技术具有如下特点：(1)本专利技术采用半导体激光的测汞装置相比于基于汞灯的测汞装置，光源寿命延长5倍以上，且输出功率稳定，大幅降低了系统维护频次和成本；(2)相比和频技术，本专利技术采用倍频技术的测汞装置不存在两束光共线耦合效率问题，极大提高了紫外光生成效率，改善了测量灵敏度；(3)相比和频技术，本专利技术采用倍频技术的测汞装置采用单光束生成紫外光，可有效避免环境震动带来的干扰，提高系统稳定性；(4)相比和频技术，本专利技术采用倍频技术的测汞装置只需单路激光，大大减少了系统元器件，提高了系统集成度。本专利技术可以达到的气态元素汞最低检测限低于0.1ug/m3，响应时间小于10s，充分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是本专利技术的示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。本专利技术具体实施的技术方案是：如图1所示，本专利技术提供一种基于倍频半导体激光的气态元素汞浓度检测装置，包括：激光控制器1、半导体激光器2、光栅3、光栅控制器4、反射镜5、第一凸透镜6、BBO(偏硼酸钡)晶体7、第二凸透镜8、分光棱镜9、可切换汞池安装座10、参考汞池11、零气气池12、位移控制器13、样品气池14、干涉滤光片15、探测器16、信号分析器17；所述信号分析器17设有信号输入端和三个信号输出端；所述信号分析器17的信号输入端连接探测器16的信号输出本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于倍频半导体激光的气态元素汞浓度检测装置，其特征在于，包括：激光控制器、半导体激光器、光栅、光栅控制器、反射镜、第一凸透镜、BBO晶体、第二凸透镜、分光棱镜、可切换汞池安装座、参考汞池、零气气池、位移控制器、样品气池、干涉滤光片、探测器、信号分析器；所述信号分析器设有信号输入端和三个信号输出端；所述信号分析器的信号输入端连接探测器的信号输出端；所述信号分析器的三个信号输出端分别连接激光控制器、光栅控制器和位移控制器的信号输入端；所述激光控制器的信号输出端连接半导体激光器的信号输入端；所述光栅固定于光栅控制器上；所述光栅控制器用于调整光栅偏摆角度；所述参考汞池和零气气池安装在可切换汞池安装座上；所述可切换汞池安装座的信号输入端连接位移控制器的信号输出端；所述可切换汞池安装座根据位移控制器发出的控制信号来控制参考汞池和零气气池的切换；所述半导体激光器发出的准直光束入射至光栅，经光栅衍射后的第零级光束入射至反射镜，经反射镜反射后的光束入射至第一凸透镜，经第一凸透镜汇聚后的光束聚焦于BBO晶体中，由BBO晶体出射的光束经过第二凸透镜准直后入射至分光棱镜，由分光棱镜分离出的紫外激光入射至参考汞池或零气气池，由参考汞池或零气气池出射的紫外激光依次经过样品气池和干涉滤光片后被探测器接收。...

【技术特征摘要】
1.基于倍频半导体激光的气态元素汞浓度检测装置，其特征在于，包括：激光控制器、半导体激光器、光栅、光栅控制器、反射镜、第一凸透镜、BBO晶体、第二凸透镜、分光棱镜、可切换汞池安装座、参考汞池、零气气池、位移控制器、样品气池、干涉滤光片、探测器、信号分析器；所述信号分析器设有信号输入端和三个信号输出端；所述信号分析器的信号输入端连接探测器的信号输出端；所述信号分析器的三个信号输出端分别连接激光控制器、光栅控制器和位移控制器的信号输入端；所述激光控制器的信号输出端连接半导体激光器的信号输入端；所述光栅固定于光栅控制器上；所述光栅控制器用于调整光栅偏摆角度；所述参考汞池和零气气池安装在可切换汞池安装座上；所述可切换汞池安装座的信号输入端连接位移控制器的信号输出端；所述可切换汞池安装座根据位移控制器发出的控制信号来控制参考汞池和零气气池的切换；所述半导体激光器发出的准直光束入射至光栅，经光栅衍射后的第零级光束入射至反射镜，经反射镜反射后的光束入射至第一凸透镜，经第一凸透镜汇聚后的光束聚焦于BBO晶体中，由BBO晶体出射的光束经过第二凸透镜准直后入射至分光棱镜，由分光棱镜分离出的紫外激光入射至参考汞池或零气气池，由参考汞池或零气气池出射的紫外激光依次经过样品气池和干涉滤光片后被探测器接收。2.根据权利要求1所述的基于倍频半导体激光的气态元素汞浓度检测装置，其特征在于，所述半导体激光器的输出功率不小于10mW，输出波长为502～512nm；所述光栅的刻线密度为1200～3600线/mm。3.根据权利要求2所述的基于倍频半导体激光的气态元素汞浓度检测装置，其特征在于，所述第一凸透镜和第二凸透镜的焦距为1～10cm；所述第二凸透镜和分光棱镜在254nm处的透过率都大于85％。4.根据权利要求3所述的基于倍频半导体激光的气态元素汞浓度检测装置，其特征在于，所述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为1～100μg/m2。5.根据权利要求4所述的基于倍频半导体激光的气态元素汞浓度检测装置，其特征在于，所述零气气池的长度与参考气池长度一致。6.根据权利要求5所述的基于倍频半导体激光的...

【专利技术属性】
技术研发人员：娄秀涛，林宏泽，邓天瑞，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