一种多气体组分和浓度的检测装置及检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种多气体组分和浓度的检测装置及检测方法，主要解决现有气体组分及浓度的检测装置检测组分单一、可靠性差及使用环境受限等技术问题。本发明专利技术将所用检测装置按照“主机

【技术实现步骤摘要】
一种多气体组分和浓度的检测装置及检测方法


[0001]本专利技术涉及气体组分的检测技术，特别是涉及一种多气体组分和浓度的检测装置及检测方法。

技术介绍

[0002]气体组分及浓度是环境条件的重要指标，对认识环境的变化过程等具有重要意义，对于爆炸、发动机羽焰等恶劣环境下的气体组分及浓度的检测更是如此。拉曼散射方法是一种常用的气体组分及其浓度的测量方法，当激光照射气体分子时，光子与气体分子发生非弹性碰撞，造成光子与气体分子间的能量交换，从而产生与入射光子能量不同的散射光子，表现为拉曼散射，其中能量增加的称为反斯托克斯拉曼散射，减少的称为斯托克斯拉曼散射。基于热平衡状态下的极化理论可以计算得到斯托克斯拉曼散射信号的强度表达式：
[0003]I
R
＝ηnσP
[0004]其中，I
R
表示拉曼散射强度，η表示系统的整体收集效率，与实验系统有关，n为相应气体组分的分子数密度，σ为相应气体组分的拉曼散射截面，P为入射激光的能量。由上式可知，拉曼散射信号的强度与所测气体组分的分子数密度成正比，故可以通过探测不同气体的拉曼散射信号获得气体的组分信息以及各组分的相对浓度信息，在多气体组分及浓度的检测上具有天然的优势。
[0005]然而，拉曼散射的信号非常微弱，使得其检测灵敏度很低，这极大地限制了拉曼散射光谱的应用。目前，为了增强拉曼信号提高其检测灵敏度，研究人员发展了多种技术，比如表面增强拉曼光谱技术、共振拉曼光谱技术、腔增强拉曼技术等。但是这些技术方法均有一定的适用条件，比如表面增强拉曼光谱技术需要一定的活性基底，且极易受到干扰；共振拉曼技术需要激励光波长与待测物质相匹配，很难做到多气体的同时检测；腔增强拉曼技术需要将激励光囚禁于一个特定的光学腔内以实现多次振荡，光路结构较为复杂，且对腔的稳定性要求较高。对于爆炸、发动机羽焰等冲击振动大于十个重力加速度、温度达到几百度的恶劣环境，上述方法很难做到多气体组分及浓度的可靠检测。因此，开发可以在冲击振动等恶劣环境下，可靠、准确地探测多种气体组分及浓度的方法具有重要意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有多气体组分检测技术检测灵敏度低、可靠性差及检测装置使用环境受限等技术问题，提供了一种多气体组分和浓度的检测装置及检测方法，技术方案具体如下：
[0007]一种多气体组分和浓度的检测装置，其特殊之处在于，包括光源分系统、探头分系统及信号感知分系统；
[0008]所述光源分系统与探头分系统之间通过激励光传输光纤连接；
[0009]所述探头分系统与信号感知分系统之间通过信号光传输光纤连接；
[0010]所述光源分系统包括至少一个激光器、与激光器连接的光纤耦合器及暗室；
[0011]所述探头分系统包括一体化支撑结构，依次设置在一体化支撑结构侧壁上的多组间隔设置的激励光准直汇聚器和激励光耦合器，以及间隔地连接相邻两组激励光准直汇聚器和激励光耦合器的中继光纤，每组所述激励光准直汇聚器与激励光耦合器均相对于一体化支撑结构的中心对称设置；所述激励光传输光纤的输出端与其中一组所述激励光准直汇聚器的输入端连接；所述一体化支撑结构上还包括一组凹面镜和成像透镜组，所述凹面镜和成像透镜组搭配使用且在一体化支撑结构上呈中心对称设置；所述激励光准直汇聚器、激励光耦合器、凹面镜及成像透镜组均紧固于一体化支撑结构上；
[0012]所述信号感知分系统包括依次设置在信号传输光路上的光纤适配器，单色仪，探测器及与探测器电连接的计算机终端；还包括设置在光纤适配器前端的滤光片。
[0013]进一步地，所述激光器为窄线宽连续激光器，且使用功率为瓦级功率，因窄线宽连续激光器输出一定功率的窄线宽单色光，其激发拉曼信号的有效利用率较高；同时，激光器功率使用瓦级的功率，因激光器功率过低会影响探测灵敏度，激光器功率过高时散热要求高且成本较高，同时有可能会出现非线性效应。
[0014]所述光纤耦合器选择短焦透镜组，短焦透镜组可将光斑进一步压细，耦合效率较高，进而可提高激励光的利用率。
[0015]进一步地，所述激励光传输光纤选择多模光纤，进一步提高激励光偶进传输光纤的耦合效率。
[0016]进一步地，所述中继光纤通过光纤连接法兰连接激励光准直汇聚器和激励光耦合器；所述激励光准直汇聚器、激励光耦合器、凹面镜及成像透镜组均通过卡具及法兰紧固于一体化支撑结构上。
[0017]进一步地，所述凹面镜采用石英基底且镀功能膜的凹面镜；所述成像透镜组采用石英基底且镀功能膜的成像透镜组，凹面镜和成像透镜组搭配使用，分别置于上述激励光汇聚点的对侧，可增加收集立体角，提高信号的收集效率。
[0018]进一步地，所述信号光传输光纤选择密排光纤束，密排光纤束由多根光纤密排组成，其端面是多个光纤端面的相加，可有效提升信号偶进光纤的耦合效率。
[0019]进一步地，所述滤光片为长帯通滤光片且至少2片组合使用，滤光片主要用于滤除瑞利散射和米散射等背景光的干扰，多片联合使用时效果更佳。
[0020]进一步地，所述探测器为ICCD或CCD探测器时，可降低电子噪声且积分时间可调，进而提高结果的精度。
[0021]本专利技术还提供了一种基于多气体组分和浓度检测装置的检测方法，包括以下步骤：
[0022]步骤a)激光器发出连续激励光，激励光通过光纤耦合器耦进激励光传输光纤；
[0023]步骤b)经激励光传输光纤传输后的激励光，经激励光准直汇聚器输出并实现空间汇聚，与探测区气体相互作用产生拉曼信号；
[0024]步骤c)激励光继续空间传播，再由激光耦合器将其耦进中继光纤，经中继光纤传输并改变传播方向后，通过相邻的激励光准直汇聚器，再次实现空间汇聚，所述空间汇聚的汇聚点与步骤b)所述空间汇聚的汇聚点相同，之后激励光继续空间传播，并由对应的激光耦合器耦进对应的中继光纤，如此多次循环，可实现激励光的多路复用；
[0025]步骤d)由在一体化支撑结构上中心对称放置的凹面镜和成像透镜组搭配使用，将步骤b)和步骤c)产生的拉曼信号进行收集并传递到信号光传输光纤的端面，接着将收集的拉曼信号耦进信号光传输光纤；
[0026]步骤e)所述拉曼信号经信号光传输光纤输出，并经滤光片进入光纤适配器；
[0027]步骤f)所述光纤适配器输出的拉曼信号通过单色仪的狭缝进入单色仪，由单色仪进行分光形成光谱；
[0028]步骤g)探测器对所述光谱进行记录，并通过计算机终端显示，进而完成多气体组分和浓度检测。
[0029]进一步地，所述计算机终端显示的光谱信息中，若结果的信噪比≥3，则代表完成待探测区域的气体组分及浓度的检测；若结果的信噪比＜3，则代表待探测区域的部分气体未检测出，此时需重复步骤a)至步骤g)的检测方法，且步骤a)中使用多个激光器，直至完成待探测区域的气体组分及浓度的检测。
[0030]本专利技术的有益效果为：
[0031]1、本专利技术的一种多气体组分和浓度的检测装置及检测方法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多气体组分和浓度的检测装置，其特征在于：包括光源分系统(101)、探头分系统(201)、以及信号感知分系统(301)；所述光源分系统(101)与探头分系统(201)之间通过激励光传输光纤(3)连接；所述探头分系统(201)与信号感知分系统(301)之间通过信号光传输光纤(10)连接；所述光源分系统(101)包括至少一个激光器(1)、与激光器(1)连接的光纤耦合器(2)及暗室(16)；所述探头分系统(201)包括一体化支撑结构(7)，依次设置在一体化支撑结构(7)侧壁上的多组间隔设置的激励光准直汇聚器(4)和激励光耦合器(5)，以及间隔地连接相邻两组激励光准直汇聚器(4)和激励光耦合器(5)的中继光纤(6)，每组所述激励光准直汇聚器(4)与激励光耦合器(5)均相对于一体化支撑结构(7)的中心对称设置；所述激励光传输光纤(3)的输出端与其中一组激励光准直汇聚器(4)的输入端连接；所述一体化支撑结构(7)上还包括一组凹面镜(8)和成像透镜组(9)，所述凹面镜(8)和成像透镜组(9)搭配使用且在一体化支撑结构(7)上呈中心对称设置；所述激励光准直汇聚器(4)、激励光耦合器(5)、凹面镜(8)及成像透镜组(9)均紧固于一体化支撑结构(7)上；所述信号感知分系统(301)包括依次设置在信号传输光路上的光纤适配器(12)，单色仪(13)，探测器(14)，以及与探测器(14)电连接的计算机终端(15)；还包括设置在光纤适配器(12)前端的滤光片(11)。2.根据权利要求1所述的多气体组分和浓度的检测装置，其特征在于：所述激光器(1)为窄线宽连续激光器，使用功率为瓦级功率；所述光纤耦合器(2)选择短焦透镜组光纤耦合器。3.根据权利要求2所述的多气体组分和浓度的检测装置，其特征在于：所述激励光传输光纤(3)为多模光纤。4.根据权利要求3所述的多气体组分和浓度的检测装置，其特征在于：所述中继光纤(6)通过光纤连接法兰连接激励光准直汇聚器(4)和激励光耦合器(5)；所述激励光准直汇聚器(4)、激励光耦合器(5)、凹面镜(8)及成像透镜组(9)均通过卡具及法兰紧固于一体化支撑结构(7)上。5.根据权利要求4所述的多气体组分和浓度的检测装置，其特征在于：所述凹面镜(8)采用石英基底且镀功能膜的凹面镜；所述成像透镜组(9)采用石英基底且镀功能膜的成像...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴振杰，张振荣，王晟，叶景峰，陶蒙蒙，王科，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：