专利名称：一种光程在线标定式腔增强型大气痕量气体探测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用光学腔探测气体浓度的检测装置，更具体地说是一种具有光程在线标定功能的腔增强型大气痕量气体高灵敏度探测的点式测量仪器。
背景技术：
基于光学方法的差分吸收光谱技术(DOAS)目前已成为大气痕量气体监测的常用方法。它具有响应速度快、无接触测量以及可实现多组份同时在线监测等特点。大气中痕量气体的浓度通常在PPbv甚至是pptv量级,对于DOAS技术来说,可通过增加吸收光程来提高探测灵敏度。目前较为常用的长光程DOAS仪器，其测量光程可达几公里甚至是几十公里，探测灵敏度能达到PPtv量级。但这种测量仪器受大气湍流和天气影响较大，雾天或沙尘天气无法进行测量，不能满足对大气痕量气体进行连续监测的要求。·基于非相干宽带腔增强吸收光谱技术(IBBCEAS)的大气痕量气体探测方法，它利用入射光在光学腔内来回反射来增加吸收光程，从而达到提高探测灵敏度的目的。然而，基于光学腔的光程增加方式不同于传统的多次反射池，其光程不能通过光斑个数得到，而且光程也不是一个恒定值，与所使用的镜片反射率有关。现有的IBBCEAS装置在测量大气痕量气体浓度之前，需要预先标定出吸收光程，之后再进行光谱测量和浓度反演。然而，现有的光程标定方式是离线式的，即无法做到一边实际大气测量一边光程标定，只能定期来标定光程。由于在连续测量过程中镜片反射率会发生退化，导致光程发生变化，而何时出现退化却无法预知，因此离线式的定期标定就无法及时获取准确的光程信息，从而导致某段时间内的测量结果出现偏差，这样也就不能保证大气痕量气体得到长时间连续精确测量的目的。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种光程在线标定式腔增强型大气痕量气体探测系统，能够实现被测气体吸收光程在线标定功能，满足对大气痕量气体进行高灵敏度长时间连续准确实时监测的目的。本发明解决技术问题采用如下技术方案一种光程在线标定式腔增强型大气痕量气体探测系统，包括光源驱动装置I、光源2、带通滤光片3、第一非球面透镜4、第一光阑5、光学腔6、第二光阑7、第二非球面透镜8、一分二型光纤束9、光谱探测器10和光衰减信号检测装置11 ;其中，光学腔6由两块高反射率平凹反射镜组装而成，反射膜在凹面，两凹面相对视，光学腔6是封闭的，并留有进气孔和出气孔；光源2经光源驱动装置I驱动后发光，发出的光通过带通滤光片3滤去测量波段以外的光后，经过第一非球面透镜4准直，并经第一光阑5限制孔径后耦合进入光学腔6内，光在腔内来回多次发射增加吸收光程，从光学腔6另一侧透射出去的光，经第二光阑7限制孔径后被第二非球面透镜8聚焦到一分二型光纤束9的入射端面a上，光纤束的一个出射端b接光谱探测器10，另一出射端c接光衰减信号检测装置11。
所述的光源驱动装置I由窄脉冲电流源、恒定电流源和电子开关组成，在电子开关的控制下，选择窄脉冲电流源或恒定电流源驱动光源2发光。当采用窄脉冲电流驱动光源发光时，从光学腔6透射出去的光强随时间呈衰减变化，此衰减光强由光衰减信号检测装置11检测，检测结果反映被测气体的吸收光程；当选择恒定电流驱动时，从光学腔6透射出去的光由光谱探测器10进行采集，其采集结果反映被测气体的柱浓度，将柱浓度除以吸收光程，便得到被测气体的浓度值。由于吸收光程的获取不需要改变测量光路和装置，只需将光源驱动方式切换到窄脉冲电流驱动下即可，所以吸收光程的标定是在线式的。所述光衰减信号检测装置11由光电倍增管、信号放大器和数据采集器组成，该装置用于在线标定气体测量时的吸收光程。其中，光电倍增管的感光窗口对准一分二型光纤束9的出射端面C，光信号经光电倍增管转换成电流信号后，从光电倍增管的输出端输出，输出的电流信号接到信号放大器的输入端，信号放大器的输出端接数据采集器的输入端，信号被数据采集器采集后得到光信号衰减时间T (X表示光从初始光强衰减到1/e时所需的时间，其中e是自然对数函数的底数，e 2. 71828)，将衰减时间t乘以光速c便得到吸收光程。、所述的两块高反射率平凹镜的反射率大于99. 9%。所述光源2为半导体发光二极管,光源福射光谱的半高宽在15nm至30nm之间。所述的一分二型光纤束9入射一端a由五芯光纤组成，出射一端由b是单芯光纤，出射另一端c是四芯光纤。从光学腔6出射的光斑是圆形的，处于中间位置的单芯光纤可以收集到尽量多的光信号，从而增加光谱测量时的信噪比。而光电倍增管具有极高的光电响应能力，分布在单芯四周的四芯光纤只要能收集到少部分光即可满足测量要求。本发明的优点与有益效果在于(I)本发明能够实现被测气体吸收光程在线标定功能，满足对大气痕量气体进行高灵敏度长时间连续精确实时监测的目的。本发明的光源驱动方式有两种窄脉冲(脉冲宽度小于I个微秒)电流驱动和恒定电流驱动，而现有探测系统的光源只有恒定电流驱动方式，这种驱动方式用于产生吸收光谱测量时所需的连续辐射光。本发明比现有驱动方式多了一种窄脉冲电流驱动方式。在窄脉冲电流驱动方式下，利用光衰减信号检测装置，就能标定出被测气体的吸收光程。这两种驱动方式的切换由电子开关完成，不需要改变测量光路和装置，因此吸收光程的标定是在线式的。这样就可以做到一边大气测量一边光程标定，实时准确了解吸收光程的变化情况，满足大气痕量气体得到长时间连续精确测量的目的。(2)本发明通过两块高反射率平凹镜构成光学腔，当光源发出的光被耦合进入腔内后，可在两块高反射率平凹镜镜片之间来回形成多次反射，从而增强被测气体的吸收光程，实现大气痕量气体的高灵敏度测量。(3)本发明采用发光二极管作为光源，可以降低功耗、缩小光源体积，安全可靠。由于发光二极管是半导体材料，可以对其进行窄脉冲(脉冲宽度小于I个微秒)电流驱动。在这种驱动方式下，可通过测量光在光学腔内的衰减时间来标定被测气体吸收光程，为准确获取被测气体浓度值提供保障。
图I为本发明的结构示意图2为本发明中一分二型光纤束结构示意图。
具体实施例方式本发明利用光源发出的窄脉冲光(脉冲宽度小于I个微秒)，经过由两块高反射率镜片组成的光学腔内的气体吸收后，形成光衰减信号，并由光衰减信号检测装置进行检测，确定光强衰减时间来实现被测气体吸收光程标定功能的。而对大气痕量气体实现高灵敏度探测的原理是基于光源发出的连续光在学腔内形成多次反射来增加吸收光程，具体工作原理是光源发射出去的连续光从光学腔6的一侧耦合进入腔体后，会在两块高反射率平凹反射镜之间来回多次反射，光每反射一次，都会从腔体的另一侧透射出去一点光，通过光谱探测器10在腔体出射端收集每次反射过程中产生的透射光。由于光在腔内传输的时间很短，光谱探测器10收集到的光是所有透射光的总和，这些光中包含了被测气体所有奇数倍单光程(腔的长度)的吸收信息。总之，与单程吸收相比，该技术增加了被测气体的有效吸收光程，使被测气体的探测灵敏度得到了很大提高。根据光谱探测器10采集到的被测气体吸收光谱和吸收光程等信息，最后利用最小二乘拟合技术就能从被测气体吸收光谱中反演出气体的浓度大小。如图I所示，本发明一种光程在线标定式腔增强型大气痕量气体探测系统主要由光源驱动装置I、光源2、带通滤光片3、第一非球面透镜4、第一光阑5、光学腔6、第二光阑7、第二非球面透镜8、一分二型光纤束9、光谱探测器10和光衰减信号检测装置11组成；其中，光源驱动装置I由窄脉冲电流源、恒定电流源和电子开关组成，该电子开关为双输入单输出型，两个输入端分别接两种电流源的电流输出端，电子开关的输出端接光源电流输入端。在电子开关的控制下，可选择窄脉冲电流或恒定电流驱动光源发光，从而使探测系统工作于光程在线标定模式或光谱米集模式；光学腔6由两块反射率大于99. 9%的高反射率平凹反射镜组装而成，反射膜在凹面，两凹面相对视；光学腔6是封闭的，并留有进气孔和出气孔；光衰减信号检测装置11由光电倍增管、信号放大器和数据采集器组成。其中，光电倍增管的感光窗口对准一分二型光纤束9的出射端面C，光信号经光电倍增管转换成电流信号后，从光电倍增管的输出端输出，输出的电流信号接到信号放大器的输入端，信号放大器的输出端接数据采集器的输入端，信号被数据采集器采集后得到光信号衰减时间T (T表示光从初始光强衰减到1/e，其中e是自然对数函数的底数，e 2. 71828)时所需的时间)，将衰减时间T乘以光速C便得到吸收光程；一分二型光纤束9入射一端a由五芯光纤组成，出射一端b是单芯光纤，出射另一端c是四芯光纤，如图2所示。本发明具体工作时有两种模式光程在线标定模式和光谱采集模式，并且这两种工作模式来回切换。其中所述探测系统工作时有两种模式光程在线标定模式和光谱采集模式，并且所述两种工作模式通过控制光源驱动装置I中的电子开关来回切换，其中光程在线标定模式的工作流程为首先通过控制光源驱动装置I中的电子开关，选择窄脉冲电流源来驱动光源2发出窄脉冲光(脉冲宽度小于I个微秒)。光源2发出的光通过带通滤光片3滤去测量波段以外的光后，经过第一非球面透镜4准直，并经第一光阑5限制孔径后耦合进入光学腔6内。耦合进去的光到达腔体的出射端时，有一小部分光从腔内透射出去，大部分的光又被反射回来，并再次被入射端镜片反射回去，到达腔体的出射端、时，又有一小部分光从腔内透射出去，如此周而复始，每次都会有一定的光从腔体出射端透射出去，经第二光阑7限制孔径后被第二非球面透镜8聚焦到一分二型光纤束9的入射端面a上，之后用光衰减信号检测装置11来收集来自一分二型光纤束9出射端c的光。由于气体吸收的存在，光衰减信号检测装置11检测到的光信号呈衰减趋势，并得到光信号衰减时间T (X表示光从初始光强衰减到1/e时所需的时间，其中e是自然对数函数的底数，e ^ 2. 71828)，将衰减时间t乘以光速c便得到吸收光程L。光谱采集模式的工作流程为首先通过控制光源驱动装置I中的电子开关，选择恒定电流源来驱动光源2发出连续光。光源2发出的连续光通过带通滤光片3滤去测量波段以外的光后，经过第一非球面透镜4准直，并经第一光阑5限制孔径后耦合进入由两块高反射率镜组成的光学腔6内。耦合进去的光到达腔体的出射端时，有一小部分光从腔内透射出去，大部分的光又被反射回来，并再次被入射端镜片反射回去，到达腔体的出射端时，又有一小部分光从腔内透射出去，如此周而复始，每次都会有一定的光从腔体出射端透射出去，经第二光阑7限制孔径后被第二非球面透镜8聚焦到一分二型光纤束9的入射端面a上，之后用光谱探测器10来收集来自一分二型光纤束9出射端b的光，收集到的光是 所有从腔内透射出去光的总和。光谱探测器10采集到的光谱中含有被测气体的吸收信息，
根据公式GD = CUhSrD = In(其中0D为光学密度，0 (X)为被测气体的吸收截
V. 2 ⑷ J
面，SCD为被测气体的柱浓度，ItlU)和I ( X )分别为背景谱和被测气体吸收谱，ItlU)和I(A)由光谱探测器10采集得到)计算得到光学密度0D，最后利用最小二乘拟合O (X)到OD被可得到被测气体的柱浓度SCD。根据光程在线标定模式和光谱采集模式各自得到的结
S(I)
果，最终根据公式"= -p(n为被测气体的浓度，L为吸收光程，SCD为被测气体的柱浓度)便得到被测气体的浓度n。
权利要求
1.一种光程在线标定式腔增强型大气痕量气体探测系统，其特征在于包括光源驱动装置、光源、带通滤光片、第一非球面透镜、第一光阑、光学腔、第二光阑、第二非球面透镜、一分二型光纤束、光谱探测器和光衰减信号检测装置；其中，光学腔由两块高反射率平凹反射镜组装而成，反射膜在凹面，两凹面相对视，光学腔是封闭的，并留有进气孔和出气孔；光源经光源驱动装置驱动后发光，发出的光通过带通滤光片滤去测量波段以外的光后，经过第一非球面透镜准直，并经第一光阑限制孔径后耦合进入光学腔内，光在腔内来回多次发射增加吸收光程，从光学腔另一侧透射出去的光，经第二光阑限制孔径后被第二非球面透镜聚焦到一分二型光纤束的入射端面上，光纤束的一个出射端接光谱探测器，另一出射端接光衰减信号检测装置。
2.根据权利要求I所述的一种光程在线标定式腔增强型大气痕量气体探测系统，其特征在于所述的光源驱动装置由窄脉冲电流源、恒定电流源和电子开关组成；在电子开关的控制下，选择窄脉冲电流源或恒定电流源驱动光源发光；当采用窄脉冲电流驱动光源发光时，从光学腔透射出去的光强随时间呈衰减变化，此衰减光强由光衰减信号检测装置检测，检测结果反映被测气体的吸收光程；当选择恒定电流驱动时，从光学腔透射出去的光由光谱探测器进行采集，采集结果反映被测气体的柱浓度，将柱浓度除以吸收光程，便得到被测气体的浓度值；由于吸收光程的标定不需要改变测量光路和装置，只需将光源驱动方式切换到窄脉冲电流驱动下即可，所以吸收光程的标定是在线式的。
3.根据权利要求I所述的一种光程在线标定式腔增强型大气痕量气体探测系统，其特征在于所述光衰减信号检测装置由光电倍增管、信号放大器和数据采集器组成；光电倍增管的感光窗口对准一分二型光纤束的一个出射端面，光信号经光电倍增管转换成电流信号后，从光电倍增管的输出端输出，输出的电流信号接到信号放大器的输入端，信号放大器的输出端接数据采集器的输入端，信号被数据采集器采集后得到光信号衰减时间T，T表示光从初始光强衰减到1/e时所需的时间，将衰减时间T乘以光速c便得到吸收光程L，e是自然对数函数的底数。
4.根据权利要求I所述的一种光程在线标定式腔增强型大气痕量气体探测系统，其特征在于所述两块高反射率平凹镜的反射率大于99. 9%。
5.根据权利要求I所述的一种光程在线标定式腔增强型大气痕量气体探测系统，其特征在于所述光源为半导体发光二极管，光源福射光谱的半高宽在15nm至30nm之间。
6.根据权利要求I所述的一种光程在线标定式腔增强型大气痕量气体探测系统，其特征在于所述一分二型光纤束入射一端由五芯光纤组成，出射一端是单芯光纤，出射另一端是四芯光纤。
全文摘要
一种光程在线标定式腔增强型大气痕量气体探测系统，由光源、光源驱动、非球面透镜、滤光片、光阑、光学腔、一分二型光纤束、光衰减信号检测装置以及光谱探测器等组成。光源发出的光先经过非球面透镜准直，然后耦合进入由两块高反射率镜组成的光学腔内，并在腔内来回多次发射，以此起到增加吸收光程的作用。从光学腔另一侧透射出去的光，被非球面透镜聚焦到一分二型光纤束的入射端面上，光纤束的一个出射端接光衰减信号检测装置，另一出射端接光谱探测器。光源具有窄脉冲和恒流两种驱动方式，窄脉冲驱动方式用于光衰减信号的测量，以此确定气体测量时的吸收光程；恒流驱动方式用于吸收光谱的测量，以此得到被测大气痕量气体的柱浓度。根据两者测量结果即可得到被测气体的浓度值。
文档编号G01N21/17GK102735633SQ20121021827
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月28日 优先权日2012年6月28日
发明者凌六一, 刘文清, 方武, 江宇, 秦敏, 谢品华 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院
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