專利名稱：用一臺二極管激光器同時測量兩種氣體的方法
技術領域：
本發明涉及一種倍頻技術和光譜分析技術，具體涉及利用一臺激光器同時測量兩種氣體濃度，并且同時確定光路中氣體的平均溫度和壓強的方法
背景技術：
目前，可實現在線氣體監測的技術主要有差分吸收光譜(DOAS)技術、激光雷達(LIDAR)技術和二極管激光光譜技術。其中，DOAS技術一般都應用光學參量振蕩器作為發射源，而光學參量振蕩器的價格昂貴，并且這種技術對分光儀器、探測器件的要求很高，所以導致整套設備的成本非常高。LIDAR技術容易受外界環境的影響，如其測量的精度會隨著風速的增加而下降，并且設備的維護費用很高，因此它很少用于對污染氣體的實時監測，主要用作污染氣體的普查。目前，世界上，已有有關利用二極管激光光譜技術在線監測污染氣體濃度的報道，但大都是利用一臺二極管激光器測量一種氣體濃度，也有同時監測多種氣體濃度的，但都要增加相應的二極管激光器的數量。這將使氣體濃度在線監測設備的成本增加，而且很難小型化。
發明內容
為解決目前利用一臺二極管激光器只能測量一種氣體的問題，本發明提供一種用一臺二極管激光器同時測量兩種氣體密度的方法。本發明的具體方法是用一臺二極管激光器作為發射源；二極管激光器的輸出光首先用透鏡變成平行光，然后將上述光經鍍膜鏡分成兩束光；經鍍膜鏡的反射光經過充有被測氣體之一的標準池，再用一個透鏡把通過標準池的光匯聚到探測器上，探測器將光信號轉變成電信號并放大電信號，放大的電信號經調式解調器輸入到計算機中，得到標準氣體光譜；經過鍍膜鏡的透射光用一個透鏡匯聚到倍頻器上，然后再用一個透鏡使經過倍頻器的光變成平行光，此時光線已由一種波長的光變成兩個波長的光，使該平行光經過待測氣體，使之通過二色分光鏡分光；其反射光經透鏡匯聚到探測器上，探測器將光信號轉變成電信號并放大電信號，放大的電信號經調式解調器輸入到計算機中，得到一個被測氣體光譜；通過分光鏡的透射光經過透鏡匯聚后再由一個探測器接收，探測器將光信號轉變成電信號并放大電信號，放大的電信號經調式解調器輸入到計算機中，得到另一個被測氣體光譜；通過將上述測得的光譜進行對比即可測出被測氣體的溫度、壓強和濃度。所述二極管激光器的溫度由溫度控制器控制，其溫控范圍是8～60℃，控溫精度為0.1℃；二極管激光器的輸入電流由電流控制器控制，其控制范圍為0～200mA，控制精度為0.1mA。為實現二極管激光器的波長調制和提高測量的信噪比，本發明利用一臺鋸齒波發生器和一臺正弦波發生器，它們的輸出信號傳給混頻器，混頻器的輸出信號傳給二極管激光器的電流控制器。在光譜測量中，每經過一個鋸齒波周期，可同時得到三個光譜，即標準氣體光譜a、一個被測氣體光譜b和另一個被測氣體光譜c。為了獲得高的信噪比，要通過多光譜累加(至少要十個光譜)，得到光譜a1、光譜b1和光譜c1。對這三個光譜進行光譜分析首先通過對光譜a1和光譜b1分析，可以得到雙原子分子吸收光譜線的增寬和位移信息，通過增寬量和位移量可以確定待測氣體的平均溫度T和平均壓強P；根據T和P值，將光譜b1中的雙原子分子吸收光譜線轉變為標準條件下的雙原子分子吸收光譜線，并通過峰值測量得到待測氣體中雙原子分子氣體的濃度；然后對光譜c1分析。由前面得到的T、P值，通過軟件將光譜c1中其它氣體分子的吸收光譜線轉變為標準條件下的氣體分子吸收光譜線，再通過光譜擬合和分析得到另一種或兩種待測氣體的濃度。這樣即可通過一臺二極管激光器同時測量二種或二種以上氣體的濃度，并同時測量光路中氣體的平均溫度和壓強，從而提高氣體濃度監測的準確性，以及降低開發的氣體濃度在線監測儀器的成本。利用該方法開發的氣體濃度監測儀器可以用于對燃煤電站排放的燃燒煙氣中所包含的氣體和粉塵、城市中大氣污染氣體、以及各種工業生產過程排放的氣體實施在線、實時監測。其優點是可以降低儀器成本，并且使設備小型化。
圖1是本發明的光路圖，圖2是具體實施方式
二的光路圖。
具體實施例方式
一參閱圖1，本實施方式利用一臺二極管激光器1作為發射源(其中心波長在400～4000nm范圍內)，二極管激光器的溫度由溫度控制器2控制(溫度控制器的控溫范圍為8℃～60℃，控溫精度為0.1℃)；二極管激光器的輸入電流由電流控制器3控制(控制范圍為0-200mA，控制精度為0.1mA)。為實現二極管激光的波長調制和為提高測量的信噪比，一臺鋸齒波發生器5(鋸齒波頻率可設定在1Hz～100Hz范圍內，峰值電壓可設定在100-1000mV的范圍內)和正弦波發生器6(輸出的正弦波的頻率可設定在1kHz-100kHz范圍內，峰值電壓將被設定為鋸齒波的峰值電壓的1/2-1/3左右)被用于實驗之中。其輸出的鋸齒波和正弦波信號輸入到混頻器4內，混頻器4的輸出端與電流控制器相連，被疊加在控制電流之中。二極管激光器的輸出光首先用透鏡7變成平行光，經鍍膜鏡片8(其反射率在5％-20％范圍內)變成兩束平行光，其反射束平行光經過一個充有一定量的一種雙原子分子氣體(也必須是被測氣體之一)的標準池9(使之處于標準條件下，即壓強為1atm、溫度為25℃)，用透鏡10把通過標準池9的光匯聚到探測器11上，探測器11將光信號轉變為電信號并放大電信號，經解調器12后輸入到微機13，得到光譜a；另一束光用透鏡14匯聚到倍頻器件15(例如BBO、KDP晶體等)，透鏡14聚焦目的是為了提高倍頻效率，通過倍頻器件后，光束由一個波長的激光變成兩個波長的激光(波長分別是λ和λ/2)，再利用透鏡16使兩個波長的光變回平行光。這束平行光經過待測氣體17(待測氣體包含氣體X和另外一種或幾種氣體)，經過二色分光鏡18分光，反射波長為λ，透射波長為λ/2；反射光經透鏡19會聚到探測器20，探測器20將光信號轉變為電信號并放大電信號，由解調器21解調后輸入到微機13，得到光譜b；透射光經過會聚透鏡22，用探測器23接收，探測器23將光信號轉變為電信號并放大電信號，經解調器24解調，再把解調后的信號輸入到微機13，得到光譜c。
對有些測量情況，則需要將雙色平行光耦合到石英光纖的一端，從光纖另一端射出的光由另一透鏡變為平行光，使之通過待測氣體，再由透鏡匯聚到另一光纖的一端，其另一端輸出的光再經透鏡變為平行光通過二色分光鏡。
具體實施例方式
二本實施方式與具體實施方式
一不同的是，通過倍頻器件的光經透鏡變成平行光之后，再經透鏡耦合到石英光纖的一端，從光纖另一端射出的光再由透鏡變成平行光并使之通過待測氣體，再由透鏡匯聚到另一光纖的一端，另一光纖輸出的光再經另一透鏡變為平行光照向二色分光鏡。下面參閱圖2具體說明對有些測量情況，則需要將雙色平行光利用透鏡A1耦合到石英光纖A2的一端，從光纖另一端射出的光由另一透鏡A3變為平行光，使之通過待測氣體17，再由透鏡A5匯聚到另一光纖A6的一端，其另一端輸出的光再經透鏡A7變為平行光通過二色分光鏡18。當二極管激光器溫度升高時，其中心波長增加，因此二極管激光器的控制溫度的確定取決于雙原子分子特征吸收光譜線在光譜a1中的位置。充入雙原子分子的目的是因為它的特征光譜線窄，在測量時，二極管激光器的波長調諧范圍可以覆蓋整個雙原子分子的特征吸收光譜線。
權利要求
1.用一臺二極管激光器同時測量兩種氣體的方法，其特征在于其方法是用一臺二極管激光器作為發射源；二極管激光器的輸出光首先用透鏡變成平行光，然后將上述光經鍍膜鏡分成兩束光；經鍍膜鏡的反射光經過充有被測氣體之一的標準池，再用一個透鏡把通過標準池的光匯聚到探測器上，探測器將光信號轉變成電信號并放大電信號，放大的電信號經調式解調器輸入到計算機中，得到標準氣體光譜；經過鍍膜鏡的透射光用一個透鏡匯聚到倍頻器上，然后再用一個透鏡使經過倍頻器的光變成平行光，此時光線已由一種波長的光變成兩個波長的光，使該平行光經過待測氣體，使之通過二色分光鏡分光；其反射光經透鏡匯聚到探測器上，探測器將光信號轉變成電信號并放大電信號，放大的電信號經調式解調器輸入到計算機中，得到一個被測氣體光譜；通過分光鏡的透射光經過透鏡匯聚后再由一個探測器接收，探測器將光信號轉變成電信號并放大電信號，放大的電信號經調式解調器輸入到計算機中，得到另一個被測氣體光譜；通過將上述測得的光譜進行對比即可測出被測氣體的溫度、壓強和濃度。
2.根據權利要求1所述的用一臺二極管激光器同時測量兩種氣體的方法，其特征在于利用一臺鋸齒波發生器和一臺正弦波發生器，它們倆的輸出信號都傳給混頻器，混頻器的輸出信號傳給二極管激光器的電流控制器。
3.根據權利要求1所述的用一臺二極管激光器同時測量兩種氣體的方法，其特征在于通過倍頻器的光經透鏡變成平行光之后，再經透鏡耦合到石英光纖的一端，從光纖另一端射出的光再由透鏡變成平行光并使之通過待測氣體，再由透鏡匯聚到另一光纖的一端，另一光纖輸出的光再經另一透鏡變為平行光照向二色分光鏡。
全文摘要
用一臺二極管激光器同時測量兩種氣體的方法，它涉及一種倍頻技術和光譜分析技術。其方法是用一臺二極管激光器作為發射源；其輸出光用透鏡變成平行光后經鍍膜鏡分成兩束光；反射光經過充有被測氣體之一的標準池，再聚到探測器上，并輸入到計算機中，得到標準氣體光譜；透射光匯聚到倍頻器上后再使經過倍頻器的光變成平行光，使該平行光經過待測氣體后通過二色分光鏡分光；其反射光經透鏡匯聚到探測器上后輸入到計算機中，得到一個被測氣體光譜；通過分光鏡的透射光經過透鏡匯聚后再由一個探測器接收，進而得到另一個被測氣體光譜；然后進行對比即可測出被測氣體的溫度、壓強和濃度。它解決了目前利用一臺二極管激光器只能測量一種氣體的問題。
文檔編號G01N21/25GK1484014SQ0313254
公開日2004年3月24日 申請日期2003年7月30日 優先權日2003年7月30日
發明者張治國, 張云剛 申請人:哈爾濱工業大學