一种增强谱线吸收强度型气体检测方法技术

一种增强谱线吸收强度型气体检测方法,属激光气体检测技术领域。该方法使用了依据探测光源波长选定的波长的泵浦光源，泵浦光源产生激光输入气室将待测气体分子从基态能级泵浦至探测光发生特征吸收的下能级上，增加发生特征吸收的下能级上的分子数，从而提高待测气体对于探测光的特征吸收。本发明专利技术的显著优点在于使用了泵浦光源增强了待测气体对于探测光的谱线吸收强度，增大了待测气体对于探测光的吸收，提高了系统的检测极限和灵敏度。提高了系统的检测极限和灵敏度。提高了系统的检测极限和灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种增强谱线吸收强度型气体检测方法


[0001]本专利技术涉及一种增强谱线吸收强度型气体检测方法,属于激光气体检测


技术介绍

[0002]近些年随着大气的温室效应的不断加强，已经引起了全球变暖等一系列问题。温室效应来自于温室气体，在工业生产，汽车尾气以及能源采集运输等过程中会产生大量温室气体，所以监测大气中痕量温室气体十分重要。同时，痕量气体检测技术在医学、矿井生产安全和电业安全监测等领域也有十分重要的应用。
[0003]南京信息工程大学房久龙,常建华等人在2018年9月发表在应用光学杂志第39卷第5期的一篇文章《基于中红外DFG光源的甲烷气体光谱检测方法研究》中使用了泵浦光和信号光通过差频产生(DFG)技术产生中红外光源进行甲烷气体浓度检测，但上述检测方法在原理上并未改变待测气体的谱线吸收强度，会存在谱线吸收强度上选取的极限，从而导致痕量气体检测的精度受到限制。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种增强谱线吸收强度型气体检测方法，以解决气体检测的精度低、痕量气体光吸收信号过小、信号处理难度过高的问题。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0006]一种增强谱线吸收强度型气体检测方法，由以下系统来实现，该系统包括温控电流源A、温控电流源B、泵浦激光器、探测激光器、气室、滤光片、光电探测器、电流转电压模块、数据采集卡、计算机，温控电流源A和温控电流源B均包括温度控制和驱动电流控制两部分，温控电流源A和温控电流源B分别连接泵浦激光器和探测激光器，探测激光器和泵浦激光器的输出端通过光纤耦合后输入到气室，气室通过以探测激光波长为中心波段的滤光片和光纤耦合连接到光电探测器的输入端；光电探测器的输出端连接到电流转电压模块，电流转电压模块和数据采集卡输入端相连接，数据采集卡的输出端连接到计算机；该方法的步骤如下：
[0007]1)连接好上述系统，打开光电探测器、电流转电压模块、数据采集卡和计算机的电源，在气室中注入被测气体；
[0008]2)先打开泵浦激光器和温控电流源A的电源，通过温控电流源A控制温度和输入电流来控制泵浦激光器输出激光的频率和光强，使其输出频率满足将待测气体分子从基态能级跃迁到探测光发生特征吸收的下能级的频率处，且输出光强大小保持恒定；
[0009]3)然后打开探测激光器和温控电流源B的电源,调整温度控制部分对探测激光器进行温控，调整温控电流源B的驱动电流控制部分使探测激光器输出对应于被测气体谱线吸收峰值即中心频率处的激光；
[0010]4)探测激光器和泵浦激光器输出激光经过光纤耦合之后输入到气室，气室输出端
通过滤光片由光纤耦合连接到光电探测器的输入端；
[0011]5)光电探测器的输出电流经电流转电压模块转换后变成电压信号，电压信号由数据采集卡采集后输入计算机内进行数据处理和分析，经计算机得出被测气体的浓度结果。
[0012]本专利技术方法的检测原理如下：
[0013]泵浦激光器发出的光通过光纤耦合输入到气室，气室中的待测气体各个能级分子数符合玻尔兹曼分布：
[0014][0015]其中n
i
和N1分别为气体特征吸收下能级与基态能级分子数，g
″
是吸收跃迁时气体特征吸收下能级i能级能量E
i
的简并度，Q(T)是在温度为T的时候吸收气体的配分函数，E
i
是吸收跃迁时下能级的能量大小，k是玻尔兹曼常数。
[0016]根据玻尔兹曼分布，气体特征吸收下能级的分子数n
i
是小于基态能级的分子数N1的，所以待测气体分子大多都处于基态能级，而通过查阅HITRAN数据库，发现大部分气体发生吸收的时候，其发生吸收的下能级能量都是高于基态能级的，因此通过泵浦激光注入能量可以打破待测气体的玻尔兹曼分布，增加发生吸收的下能级的分子数，便可以增强待测气体对探测激光的吸收。
[0017]本专利技术方法的优点：
[0018]引入了泵浦激光装置，通过打破待测气体的玻尔兹曼分布增强待测气体对于探测激光的吸收，提高了整个系统对于待测气体的检测灵敏度。
附图说明
[0019]图1为本专利技术检测方法的整体机构示意图。
[0020]图中：1
‑
温控电流源A、2
‑
温控电流源B、3
‑
泵浦激光器、4
‑
探测激光器、5
‑
气室、6
‑
光电探测器、7
‑
电流转电压模块、8
‑
数据采集卡、9
‑
计算机、10
‑
滤光片。
[0021]图2为本专利技术实施例1中所述的甲烷分子在泵浦光能量注入时对于探测光特征吸收的能级跃迁示意图。
[0022]图中使用泵浦激光器产生7533.49nm激光将部分甲烷气体分子从基态能级泵浦至1327cm
‑1能级，接着使用探测激光器产生7610.92nm激光，与被激发的甲烷分子发生特征吸收，将甲烷分子泵浦至2641cm
‑1能级；根据HITRAN可知波长为7610.92nm激光与甲烷分子发生特征吸收的时候，其发生吸收的下能级能量为2641cm
‑1。
[0023]图3为本专利技术实施例2中所述的二氧化碳分子在泵浦光能量注入时对于探测光特征吸收的能级跃迁示意图。
[0024]图中使用泵浦激光器产生4361.9075nm激光将部分二氧化碳气体分子从基态能级泵浦至2292cm
‑1能级，使用探测激光器产生4396.87nm激光，与被激发的甲烷分子发生特征吸收，将二氧化碳分子泵浦至4566cm
‑1能级；根据HITRAN可知波长为4396.87nm激光与二氧化碳分子发生特征吸收的时候，其发生吸收的下能级能量为2292cm
‑1。
具体实施方式
[0025]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明，但不限于此。
[0026]实施例1：
[0027]一种增强谱线吸收强度型气体检测方法，由以下系统来实现，如图1所示，该系统包括温控电流源A1、温控电流源B2、泵浦激光器3、探测激光器4、气室5、光电探测器6、电流转电压模块7、数据采集卡8、计算机9和滤光片10，温控电流源A1和温控电流源B2分别连接泵浦激光器3和探测激光器4，其中探测激光器4的温控电流源B2由温度控制电路和驱动电流控制两部分构成，通过控制温度和注入电流保证探测激光器4输出的光频率处于测量待测气体浓度所需中心频率处，泵浦激光器3的温控电流源A1是由温度控制电路和驱动电流控制两部分构成，通过控制温度和注入电流保证泵浦激光器3输出的光频率稳定在能够满足将待测气体从基态能级跃迁到探测激光发生特征吸收的下能级的频率处，且输出的光能量保持恒定；探测激光器4和泵浦激光器3的输出端通过光纤耦合共同与气室5相连接，气室5通过以探测激光波长为中心波段的滤光片10和光纤耦本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种增强谱线吸收强度型气体检测方法，由以下系统来实现，该系统包括温控电流源A、温控电流源B、泵浦激光器、探测激光器、气室、滤光片、光电探测器、电流转电压模块、数据采集卡、计算机，温控电流源A和温控电流源B均包括温度控制和驱动电流控制两部分，温控电流源A和温控电流源B分别连接泵浦激光器和探测激光器，探测激光器和泵浦激光器的输出端通过光纤耦合后输入气室，气室通过以探测激光波长为中心波段的滤光片和光纤耦合连接到光电探测器的输入端；光电探测器的输出端连接到电流转电压模块，电流转电压模块和数据采集卡输入端相连接，数据采集卡的输出端连接到计算机；该方法的步骤如下：1)连接好上述系统，打开光电探测器、电流转电压模块、数据采集卡和计算机的电源，在气室中注入被测气体；2)先打开...

【专利技术属性】
技术研发人员：王子涵，常军，孙稼琛，张志峰，范咏梅，林杉，毛明慧，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：