用于气体检测的低频电压调制光谱的方法和装置制造方法及图纸

用于气体检测的低频电压调制光谱的方法和装置属于光谱检测技术。采用低频正弦电压控制外腔式激光器后镜（３）、反馈光栅（２）的旋转或施与机械斩波器（１７），以锯齿波（６）或三角波电压（２１）为扫频信号，解调被测气体的吸收光谱，根据优选所得高次谐波的峰值变化与被测气体浓度成正比的关系进行定量测定。有效地扣除了背景噪声，分辨率高，最小探测吸收率达１０↑［－６］，可应用于工业气体监控和环境大气中有害气体的在线监测。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光谱检测技术，主要涉及对气体的测量方法及相应设备。公知电流调制光谱检测技术已成为一种工业气体监控及环境大气的在线监测的重要手段。这种方法会导致一定深度的振幅调制，造成较大的能量起伏，从而限制了测量的高灵敏度。且工作中波长的不连续变化会影响测量结果，同时所需处理设备亦显昂贵。本专利技术的目的是提出一种高分辨、高灵敏、使用方便的用于气体检测的低频电压调制光谱的方法和装置的技术方案。本专利技术目的中的方法部分是这样实现的，用于气体检测的低频电压调制光谱法包括以调制和扫频的单色光通过待检测气体，接收被检测气体的吸收光谱信号，按工作要求处理分析。其中，所述调制采用低频正弦电压控制激光器外腔后镜、反馈光栅的旋转或施于机械斩波器的方法。这种低频电压调制的方法可以得到无跳模、能量起伏较小的连续输出，并可为检测信号的后续处理提供有益的基础，以改善检测质量；从而使本专利技术的目的得以实现。本专利技术所述低频电压调制方法是把输入的正弦电压施加到外腔式激光器谐振腔后镜或外腔的反馈光栅的压电陶瓷上，通过控制其旋转实现波长的连续调制，这是外腔式激光器较普遍的工作方式。本专利技术所述低频电压调制方法还可以是把输入的低频正弦电压施加在机械斩波器的控制端上，通过斩波调制得到所需的激光输出。本专利技术在所述调制过程中还对外腔式激光器施加频率远低于调制信号的扫频信号，这是产生扫描输出的激光波长连续变化的方法。本专利技术所述扫频信号为锯齿波或三角波电压，这是产生激光波长连续线性变化的方法。本专利技术所述处理分析使用的是所得吸收光谱的谐波信号，这是消除连续背景噪声的方法。本专利技术所述处理分析中含针对不同被测气体、不同应用场合，对由调制信号的不同倍频解调后的谐波信号的信噪比或分辨率进行优选分析、决定所用最佳探测谐波的内容，使本方法能够适用于多种不同形式的气体检测。本专利技术目的中的设备部分是这样实现的，低频电压调制光谱装置包括，二极管激光器，接收到调制吸收光谱的光电探测器，对探测信号进行解调作用的相关器，处理相关器输出数据的计算机，以及控制执行上述相应工作的各种辅助光、电机构和联接固定与调节部件。其中，所述二极管激光器为外腔式结构，当采用合成器时，还设有低频正弦电压发生器和频率远低于调制信号的函数信号发生器，由合成器分别与其输出端相联、并将所得合成信号施加到外腔式激光器谐振腔后镜或外腔的反馈光栅的压电陶瓷的电压控制端上；当所述激光器采用机械斩波器调制时，则以低频正弦电压与机械斩波器的控制器相联，以函数信号发生器的输出耦合到二极管激光器压电陶瓷的电压控制端。这样，激光器在所需信号作用下，皆可输出带有扫频和调制的检测光，从而完成对本专利技术所需光源的生成，实现了专利技术目的中的设备内容。本专利技术所述函数信号发生器输出的是锯齿波或三角波电压信号，其所起作用是使激光器的波长缓慢线性扫描通过被测气体的电子跃迁位置，以保证完整地探测和处理调制吸收光谱。本专利技术还含有输入端与所述正弦信号发生器相联、输出端与所述相关器相联的可调倍频器，以提供相关检测时供优选谐波的参考信号。本专利技术采用将低频电压施于控制激光器外腔的后镜、反馈光栅旋转的压电陶瓷上或机械斩波器上，以锯齿波或三角波电压为激光输出的扫频信号，对由调制信号的不同倍频解调后所得谐波信号的信噪比进行优选分析、决定所用最佳探测谐波的内容，及其相应设备，可以得到无跳模、能量起伏较小的连续激光输出，从而有效地消除了连续背景噪声，提高了检测气体微弱吸收谱线的分辨率，其最小吸收探测灵敏度达到10-6，可应用于工业气体监控以及环境或大气中的有害气体的在线监测。附图给出了本专利技术实施例的结构示意和测量结果。附图说明图1是用于铯蒸汽测量的调制光谱装置结构图；图2是用于铯蒸汽测量的二次、四次及六次谐波信号与相应的背景噪声的对比；图3是用于铯蒸汽测量的二次、四次及六次谐波信号与直接吸收线的对比；图4是以斩波调制激光进行氧气含量测量的调制与扫描部分结构图；图5是大气压下的氧气含量气压与四次谐波峰值的对应关系。下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。在图1和4中1二极管激光非曲直2反馈光栅3后镜4旋转支点5压电陶瓷的电压控制端6锯齿波信号发生器(HP33120A)7正弦信号发生器8合成器9铯蒸汽10光电二极管(2CU2E)11相关器(SR530)12计算机13可调倍频器14、15、16倍频器17机械斩波器18机械斩波器的控制器19机械斩光盘20氧气池21三角波信号发生器第一实施例是用于高灵敏测量铯蒸汽的场合的情况。本例设备由二极管激光器及其调制系统、光电探测器、相关器和计算机组成。本例装置可参见图1，单色光源是美New Focus公司6017型的外腔式二极管激光器1、2、3、5，以输出1kHz正弦波调制信号的正弦信号发生器7和产生1Hz锯齿波的美HP公司33120A型函数信号发生器6的输出分别与合成器8相联，合成器的输出施加到外腔式激光器谐振腔控制后镜旋转的压电陶瓷的电压控制端5上。光电探测器10的输出与相关器(美国SR530)11相联，同时发生器7的输出还经可调倍频器13倍频输出后与相关器11相联，计算机12处理来自相关器11的谐波信号，得出检测结果。另外还有控制执行相应工作的各种辅助光路和联接固定部件。以上为本例主要结构的描述。外腔式二极管激光器是采用外腔的后镜与激光二极管的一个端面构成谐振腔的，中间插入一个反射光栅；也可以用反射光栅直接代替谐振腔的另一个反射镜来构成。利用光栅的色散分光作用，将二极管激光器发出的不同波长的光束在空间分离，然后只使很窄波长区域的光束在腔内形成振荡，其它波长的光束因不具反馈能力而被抑制。当适当转动后镜或光栅的角度位置，可以改变所需要的振荡模式。后镜或光栅的转动是利用压电陶瓷来控制的，由于机械部件的作用，决定了这种通过电压调谐激光波长的方法只能在低频下工作。合成器8由三个50欧姆的电阻采用三角形接法构成的。当在任意两端分别施加上正弦信号发生器7输出的正弦波信号和函数信号发生器6输出的锯齿波时，其第三端产生输出两输入信号幅值减小一半后叠加而成的合成信号。可调倍频器13采用三个公知的倍频电路串接而成，以提供用于相关检测的参考信号。由普通光电二极管(2CU2E)构成的光电探测器10接收到调制吸收光谱后送入相关器11与调制正弦波倍频器13的输出信号进行相关。如果选择调制正弦波的二次倍频信号2f(这里f为调制频率)进行相关检测，得到二次谐波光谱；如果用调制正弦波的四次倍频信号4f相关检测，得到四次谐波光谱，依次类推。用计算机12从相关器的输出通道采集数据并进行处理，记录高次谐波光谱，根据高次谐波峰值的变化与气体的浓度成正比的关系可以进行定量测定。本专利技术所述谐波信号的探测指的是偶次谐波，即S2f、S4f、S6f、S8f等，这是由于直接吸收信号(无调制)的峰值与偶次谐波的峰值位置一致，从而便于分析。但是直接吸收信号的峰值对应奇次谐波的探测却是零点，在本专利技术中不予考虑。在应用过程中，选择哪一种高次谐波(如S2f、S4f、S6f、S8f)进行探测取决于激光器的频率调谐范围和信噪比。虽然高次谐波得到的光谱信号较直接探测的吸收信号小，但是背景噪声由于与调制正弦波的非相关性而衰减的更多，从而有效地消除了背景噪声，提高了信噪比。但并不是越高次本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于气体检测的低频电压调制光谱法包括，以调制和扫频的单色光通过待检测气体，接收被检测气体的吸收光谱信号，按工作要求处理分析；其特征在于：所述调制采用将低频正弦电压施于激光器外部的后镜、反馈光栅或机械斩波器的方法。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：贾锁堂，肖连团，李昌勇，张临杰，赵延霆，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：14[中国|山西]