本发明专利技术公开了一种光纤拉曼光谱气体分析装置，属于气体分析技术领域，该装置包括：激光器、光束耦合装置、气体样品室、准直分束装置和光电成像接收装置；光束耦合装置将激光耦合进气体样品室中；激光与空芯光纤纤芯中的待测气体作用产生拉曼散射；准直分束装置将混合光束准直后分离出激光，将只含散射信号的光束输送至光电成像接收装置；光电成像接收装置对前向散射信号进行数字空间滤波，获得待测气体的拉曼光谱。本发明专利技术通过在空芯光纤中将待测气体与激光作用产生增强的拉曼散射信号，利用光电成像接收装置收集前向信号，并实施数字空间滤波，降低气体样品室的背景信号，解决了拉曼气体分析中微量成分检测困难的问题，提高了系统检测的灵敏度。
【技术实现步骤摘要】
一种光纤拉曼光谱气体分析装置
本专利技术属于气体分析检测
，更具体地，涉及一种光纤拉曼光谱气体分析装置。
技术介绍
激发光被分子散射，并且散射光频率发生改变的现象被称为拉曼散射。当激发光强度较弱时，散射光强度与激发光强度、散射分子数量成正比，这种拉曼散射常称为线性拉曼散射或自发拉曼散射，信号强度与散射分子数量的线性相关性，使得拉曼散射被广泛用于化学分析。由于气体的拉曼截面和分子数密度相对较小，拉曼散射的强度十分微弱，基于拉曼光谱的气体检测受到了限制，提高气体信号的强度显得尤为重要。近年来气体拉曼检测的研发致力于提高装置的检测灵敏度，增加其应用范围，其中的主要手段包括增强拉曼信号、降低信号背景。对于气体检测，目前增强信号的主要技术方法有空芯光纤增强，共振腔增强和多光程增强等多种形式。其中，空芯光纤既充当样品气室，又能够显著增加拉曼散射信号，具有很高的应用价值。在光纤增强的拉曼光谱技术中，光纤的选择对信号背景和信噪比的高低有很大影响，目前已发表的结果大多数采用带隙型空芯光子晶体光纤或内镀金属的毛细管，但是前者由于芯径小气体流通慢，且小而密的包层孔洞容易滞留气体，不利于气体的快速更新；后者的传输损耗高，泄漏到玻璃包层的激发光同样会带来荧光和二氧化硅拉曼背景。寻找更为合适的空芯光纤，是一个工作重点。一种基于空芯光子晶体光纤与拉曼光谱的人体呼吸物检测方法(专利号CN107421942A)将光纤增强与腔增强技术结合，在空芯光纤的两端设置光纤布拉格光栅形成谐振腔，入射光在光纤中来回振荡，增加了参与拉曼散射作用的分子数量，从而提高气体信号的强度，但是不完美的耦合也会导致荧光和二氧化硅拉曼背景的增加。空芯光纤SERS探针制备方法及有害气体检测系统(专利号CN109239050A)将光纤增强与表面增强拉曼光谱技术结合，在空芯光纤的纤芯内表面组装金银纳米颗粒，或者将制作好的金属纳米颗粒与待测样品均匀混合后进行拉曼检测，形成悬浮型金属纳米颗粒基底，信号能够大幅度提高，但是纳米颗粒的制备成本高昂，且纳米颗粒表面的任何污染(如上一次气体测量产生的吸附)都会影响测量的准确性，不适用于重复在线检测。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种光纤拉曼光谱气体分析装置，由此解决气体分析系统信号背景高，分析灵敏度低的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种光纤拉曼光谱气体分析装置，所述装置包括：激光器、光束耦合装置、气体样品室、准直分束装置和光电成像接收装置；所述光束耦合装置用于将所述激光器发出的激光耦合进入所述气体样品室中；所述气体样品室用于将耦合后的所述激光与所述气体样品室的空芯光纤纤芯中的待测气体分子作用产生拉曼散射，并将前向散射信号与所述激光的混合光束输送至所述准直分束装置；所述准直分束装置用于将所述混合光束准直后分离出所述混合光束中的激光，并将只含所述前向散射信号的光束输送至所述光电成像接收装置；所述光电成像接收装置用于收集所述前向散射信号，并对所述前向散射信号进行数字空间滤波，获得待测气体的拉曼光谱。优选地，所述光束耦合装置包括激光线滤波片和聚焦耦合透镜；所述激光线滤波片用于滤除所述激光器产生的激光中的荧光成分；所述聚焦耦合透镜用于会聚所述激光并将所述激光耦合至所述空芯光纤内。优选地，所述气体样品室包括储气瓶、管道、空芯光纤、固定装置和真空泵；所述储气瓶用于储存所述待测气体；所述空芯光纤用于将待测气体与激光作用产生拉曼散射；所述固定装置用于固定所述空芯光纤的两端；所述真空泵用于在更新待测气体时将所述空芯光纤中的气体排空；所述储气瓶与所述空芯光纤通过所述管道连接，所述空芯光纤与所述真空泵通过所述管道连接，所述管道用于输送所述待测气体。优选地，所述气体样品室还包括电磁阀；所述电磁阀设置于所述储气瓶与所述空芯光纤之间，所述电磁阀用于控制气路的通断。优选地，所述气体样品室还包括气压表；所述气压表设置于所述电磁阀与所述空芯光纤之间，所述气压表用于显示所述管道中待测气体的气压。优选地，所述空芯光纤为内摆线型Kagomé空芯光纤。优选地，所述准直分束装置包括准直透镜、二向色镜、光束阻挡装置和长通滤波片；所述准直透镜用于将所述气体样品室输出的混合光束变成准直的平行光束；所述二向色镜用于将所述混合光束中的激光与前向散射信号分离；所述光束阻挡装置用于吸收所述二向色镜反射的所述混合光束中的激光；所述长通滤波片用于过滤掉所述前向散射信号中的残余激光。优选地，所述光电成像接收装置包括光辐射收集镜头、光谱仪、探测器和数据处理装置；所述光谱仪用于获得所述光辐射收集镜头收集到的透过所述长通滤波片的所述前向散射信号的谱分布；所述探测器用于将所述前向散射信号的谱分布成像；所述探测器的数据输出端连接于所述数据处理装置，所述数据处理装置用于控制所述前向散射信号的采集和处理，实施数字空间滤波，获得所述待测气体的拉曼光谱。优选地，所述数据处理装置还用于调节光辐射收集镜头的对焦，以使所述前向散射信号会聚至所述探测器上。优选地，所述探测器为CCD阵列探测器。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：1、本专利技术通过前向拉曼散射信号收集结合成像光谱仪数字空间滤波，获得了低背景的光谱，有效降低了信号背景和噪声，提高了分析的灵敏度，同时适用于微量组分气体的检测，在环境气体传感、呼吸气体分析和工业监测等方面具有广阔的应用前景；2、本专利技术采用收集前向拉曼散射信号，避免了激光耦合时产生的拉曼荧光背景，降低了噪声，提高了信噪比；3、本专利技术使用内摆线型Kagomé空芯光纤降低了传输的损耗，纤芯模和包层模仅有少量的空间重叠；4、本专利技术采用成像光谱仪实施数字空间滤波，进一步简化了实验装置，降低了光路调节难度。附图说明图1是本专利技术的一个实施例的结构示意图；图2是本专利技术的一个实施例的气体样品室的结构示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：激光器1；激光线滤波片2；聚焦耦合透镜3；气体样品室4；准直透镜5；二向色镜6；光束阻挡装置7；长通滤波片8；光辐射收集镜头9；光谱仪10；探测器11；数据处理装置12；储气瓶13；管道14；电磁阀15；气压表16；固定装置17；空芯光纤18；真空泵19。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。如图1所示，本专利技术提出了一种光纤拉曼光谱气体分析装置，所述装置包括：激光器1、光束耦合装置、气体样品室4、准直分束装置和光电成像接收装置；所述光束耦合装置用于将所述激光器1发出的激光耦合进入所述气体样品本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种光纤拉曼光谱气体分析装置，其特征在于，所述装置包括：激光器、光束耦合装置、气体样品室、准直分束装置和光电成像接收装置；/n所述光束耦合装置用于将所述激光器发出的激光耦合进入所述气体样品室中；/n所述气体样品室用于将耦合后的所述激光与所述气体样品室的空芯光纤纤芯中的待测气体分子作用产生拉曼散射，并将前向散射信号与所述激光的混合光束输送至所述准直分束装置；/n所述准直分束装置用于将所述混合光束准直后分离出所述混合光束中的激光，并将只含所述前向散射信号的光束输送至所述光电成像接收装置；/n所述光电成像接收装置用于收集所述前向散射信号，并对所述前向散射信号进行数字空间滤波，获得待测气体的拉曼光谱。/n
【技术特征摘要】
1.一种光纤拉曼光谱气体分析装置，其特征在于，所述装置包括：激光器、光束耦合装置、气体样品室、准直分束装置和光电成像接收装置；
所述光束耦合装置用于将所述激光器发出的激光耦合进入所述气体样品室中；
所述气体样品室用于将耦合后的所述激光与所述气体样品室的空芯光纤纤芯中的待测气体分子作用产生拉曼散射，并将前向散射信号与所述激光的混合光束输送至所述准直分束装置；
所述准直分束装置用于将所述混合光束准直后分离出所述混合光束中的激光，并将只含所述前向散射信号的光束输送至所述光电成像接收装置；
所述光电成像接收装置用于收集所述前向散射信号，并对所述前向散射信号进行数字空间滤波，获得待测气体的拉曼光谱。
2.根据权利要求1所述的一种光纤拉曼光谱气体分析装置，其特征在于：所述光束耦合装置包括激光线滤波片和聚焦耦合透镜；所述激光线滤波片用于滤除所述激光器产生的激光中的荧光成分；所述聚焦耦合透镜用于会聚所述激光并将所述激光耦合至所述空芯光纤内。
3.根据权利要求1所述的一种光纤拉曼光谱气体分析装置，其特征在于：所述气体样品室包括储气瓶、管道、空芯光纤、固定装置和真空泵；
所述储气瓶用于储存所述待测气体；所述空芯光纤用于将待测气体与激光作用产生拉曼散射；所述固定装置用于固定所述空芯光纤的两端；所述真空泵用于在更新待测气体时将所述空芯光纤中的气体排空；所述储气瓶与所述空芯光纤通过所述管道连接，所述空芯光纤与所述真空泵通过所述管道连接，所述管道用于输送所述待测气体。
4.根据权利要求3所述的一种光纤拉曼光谱气体分析装置，其特征在于：所述气体样品室还包括电磁阀；所述电磁阀设置于所述储气瓶与所述空芯光纤之间，所述电磁阀用于控制气路的通...
【专利技术属性】
技术研发人员：白玉思，熊东升，左都罗，王新兵，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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