利用積分球結合二極管激光吸收光譜技術的氣體濃度監測裝置及基于該監測裝置的監測方法，涉及一種氣體濃度監測裝置及基于該監測裝置的監測方法。它是為了解決現有的氣體濃度監測裝置的靈敏度低、小型化程度差的問題。本發明專利技術采用二極管激光器做為光源，其輸出光經過一個準直透鏡后由積分球的入光孔進入積分球，積分球內充有未知濃度的待測氣體，激光與氣體相互作用，同時在積分球內經過多次均勻散射后形成均勻光場，由積分球出光孔出射，出射光信號被聚焦透鏡聚焦到探測器光接收面上并轉換成電信號由數據采集卡采集，數據通過PCI接口輸入到計算機進行處理，得出待測氣體濃度。本發明專利技術適用于氣體濃度監測。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種氣體濃度監測裝置及基于該監測裝置的監測方法。
技術介紹
氣體濃度實時在線監測在工業生產、生物醫藥及環境監測領域都具有非常重要的意義。在各種氣體監測技術日益成熟的今天，人們在追求高靈敏度的同時也在追求儀器的小型化和低成本?？烧{諧二極管激光吸收光譜技術(Tunable diode laser absorptionspectroscopy-TDLAS)具有高靈敏、高分辨、高速度、可實時在線監測的優點使其成為目前 光學氣體監測的主流方法。為了提高探測靈敏度，在TDLAS的基礎上增加光程是提高探測靈敏度的最直接有效的手段。多通池具有很強的延長光程的能力，也是目前最常用光程延長方法，但多通池對入射角有一定的要求才能實現較好的光路延長，而且入射角微小的變化都會導致很大的光程改變，所以穩定性及重復性較差，而其內部精密的光學器件又導致多通池具有較高的價格，進而提高整個探測系統的成本。積分球(Integrating Spheres, IS)是通常被用來測量光照度的裝置，由于其內部特殊的球腔結構，對于入射到積分球內部的光起到平均延長的作用，故可將氣體池應用于氣體檢測領域中。而且由于積分球外形緊湊，空間占用率較小，且價格低廉，非常適合開發高靈敏、低成本、小型化的氣體監測裝置。
技術實現思路
本專利技術是為了解決現有的氣體濃度監測裝置的靈敏度低、小型化程度差的問題，從而提供一種。利用積分球結合二極管激光吸收光譜技術的氣體濃度監測裝置，其特征是它包括調制正弦波信號發生器、掃描鋸齒波信號發生器、耦合器、電流控制器、可調諧二極管激光器、準直透鏡、積分球、聚焦透鏡、光探測器、采集卡和計算機；調制正弦波信號發生器的調制正弦波信號輸出端與耦合器的調制正弦波信號輸入端連接；掃描鋸齒波信號發生器的掃描鋸齒波信號輸出端與耦合器的掃描鋸齒波信號輸入端連接；耦合器的耦合后信號輸出端與電流控制器的耦合后信號輸入端連接；電流控制器的控制信號輸出端與可調諧二極管激光器的控制信號輸入端連接；可調諧二極管激光器發出激光光束，所述激光光束入射至準直透鏡，經所述準直透鏡透射后通過積分球的入光孔入射進積分球內，并在積分球內多次均勻散射形成均勻光場，部分散射光通過積分球的出射孔入射至聚焦透鏡，經所述聚焦透鏡聚焦至光探測器的感光面；所述光探測器的電信號輸出端與采集卡的電信號輸入端連接；調制正弦波信號發生器的觸發信號輸出端與采集卡的觸發信號輸入端連接；采集卡的探測信號輸出端與計算機的PCI接口的連接。基于上述裝置的利用積分球結合二極管激光吸收光譜技術的氣體濃度監測方法，它由以下步驟實現步驟一、將待測氣體充入積分球內；采用調制正弦波信號發生器產生調制正弦波信號；米用掃描鋸齒波信號發生器產生掃描鋸齒波信號；步驟二、采用耦合器將步驟一中產生的調制正弦波信號和掃描鋸齒波信號進行耦合，并將耦合后的信號輸入至電流控制器；步驟三、電流控制器根據步驟二中的耦合后的信號控制可調諧二極管激光器的工作電流參數和工作溫度參數，可調諧二極管激光器根據所述工作電流參數和工作溫度參數產生激光光束； 步驟四、采用準直透鏡對步驟三產生的激光光束進行準直，所述準直后的激光光束通過積分球的入光孔入射進積分球內，并在積分球內的待測氣體中進行多次均勻散射形成均勻光場，同時與待測氣體相互作用，部分散射光通過積分球的出射孔出射；采用聚焦透鏡將多路反射光聚焦至光探測器的感光面；步驟五、采用調制正弦波信號發生器產生TTL觸發信號，觸發采集卡實時采集光探測器輸出的信號；并輸入至計算機中；步驟六、計算機將采集卡發送的信號進行解調，獲得吸收信號，將所述吸收信號根據比爾吸收定律和積分球等效路徑計算出待測氣體的濃度；實現利用積分球結合二極管激光吸收光譜技術的氣體濃度監測。本專利技術能夠實現氣體濃度的實時監測，其高靈敏度、低成本低、小型化程度好。本專利技術在繼承TDLAS技術優勢的基礎上，利用積分球延長光程，進一步提高探測靈敏度。由于積分球外觀緊湊，非常便于儀器的小型化，而且與多通池相比成本非常低廉。積分球對入射角沒有要求，提高測量的穩定性和重復性，同時還具有響應速度快、可靠性高、維護簡單、實時性強、在線監測等優點。附圖說明圖I是本專利技術的利用積分球結合二極管激光吸收光譜技術的氣體濃度監測裝置的結構示意圖。具體實施例方式具體實施方式一、結合圖I說明本具體實施方式，利用積分球結合二極管激光吸收光譜技術的氣體濃度監測裝置，它包括調制正弦波信號發生器I、掃描鋸齒波信號發生器2、耦合器3、電流控制器4、可調諧二極管激光器5、準直透鏡6、積分球7、聚焦透鏡8、光探測器9、采集卡10和計算機11;調制正弦波信號發生器I的調制正弦波信號輸出端與耦合器3的調制正弦波信號輸入端連接；掃描鋸齒波信號發生器2的掃描鋸齒波信號輸出端與耦合器3的掃描鋸齒波信號輸入端連接；耦合器3的耦合后信號輸出端與電流控制器4的耦合后信號輸入端連接；電流控制器4的控制信號輸出端與可調諧二極管激光器5的控制信號輸入端連接；可調諧二極管激光器5發出激光光束，所述激光光束入射至準直透鏡6，經所述準直透鏡6透射后通過積分球7的入光孔入射進積分球7內，并在積分球7內多次反均勻散形成均勻光場，部分散射光通過積分球7的出射孔入射至聚焦透鏡8，經所述聚焦透鏡8聚焦至光探測器9的感光面；所述光探測器9的電信號輸出端與采集卡10的電信號輸入端連接；調制正弦波信號發生器I的觸發信號輸出端與采集卡10的觸發信號輸入端連接；采集卡10的探測信號輸出端與計算機11的PCI接口的連接。所述的積分球外部包括進光孔、出光孔、進氣孔和出氣孔四個接口。工作原理本專利技術使用波長調制光譜技術，實現方法將一個較高頻率的調制正弦波信號和一個低頻的掃描鋸齒波信號耦合加載到激光器的注入電流中，通過調整激光控制器的溫度和電流，使得激光器輸出的中心波長能完整地掃描過待測氣體吸收線。激光通過積分球的入光孔進入積分球內，進過多次均勻反射，在積分球內部形成均勻光場，出射孔氣體的調制吸收信號通過光電探測器轉化成電壓信號被數據卡采集，最終被送入計算機處 理，基于LabVIEW軟件編寫的軟件鎖相程序可以對調制信號進行解調，并得到其二次諧波分量的大小。根據Beer-Lambert定律和積分球等效路徑原理可以推導出被測氣體濃度信肩、O具體實施方式二、本具體實施方式與具體實施方式一所述的利用積分球結合二極管激光吸收光譜技術的氣體濃度監測裝置的區別在于，積分球7的內壁涂有從可見波段到近紅外波段的高反膜。具體實施方式三、基于具體實施方式一的利用積分球結合二極管激光吸收光譜技術的氣體濃度監測方法，它由以下步驟實現步驟一、將待測氣體充入積分球內；采用調制正弦波信號發生器I產生調制正弦波信號；米用掃描鋸齒波信號發生器2產生掃描鋸齒波信號；步驟二、采用耦合器3將步驟一中產生的調制正弦波信號和掃描鋸齒波信號進行耦合，并將耦合后的信號輸入至電流控制器4 ；步驟三、電流控制器4根據步驟二中的耦合后的信號控制可調諧二極管激光器5的工作電流參數和工作溫度參數，可調諧二極管激光器5根據所述工作電流參數和工作溫度參數產生激光光束；步驟四、采用準直透鏡6對步驟三產生的激光光束進行準直，所述準直后的激光光束通過積分球7的入光孔入射進積分球7內，并在積分球7內的待本文檔來自技高網...
【技術保護點】
利用積分球結合二極管激光吸收光譜技術的氣體濃度監測裝置，其特征是：它包括調制正弦波信號發生器（1）、掃描鋸齒波信號發生器（2）、耦合器（3）、電流控制器（4）、可調諧二極管激光器（5）、準直透鏡（6）、積分球（7）、聚焦透鏡（8）、光探測器（9）、采集卡（10）和計算機（11）；調制正弦波信號發生器（1）的調制正弦波信號輸出端與耦合器（3）的調制正弦波信號輸入端連接；掃描鋸齒波信號發生器（2）的掃描鋸齒波信號輸出端與耦合器（3）的掃描鋸齒波信號輸入端連接；耦合器（3）的耦合后信號輸出端與電流控制器（4）的耦合后信號輸入端連接；電流控制器（4）的控制信號輸出端與可調諧二極管激光器（5）的控制信號輸入端連接；可調諧二極管激光器（5）發出激光光束，所述激光光束入射至準直透鏡（6），經所述準直透鏡（6）透射后通過積分球（7）的入光孔入射進積分球（7）內，并在積分球（7）內多次均勻散射形成均勻光場，部分散射光通過積分球（7）的出射孔入射至聚焦透鏡（8），經所述聚焦透鏡（8）聚焦至光探測器（9）的感光面；所述光探測器（9）的電信號輸出端與采集卡（10）的電信號輸入端連接；調制正弦波信號發生器（1）的觸發信號輸出端與采集卡（10）的觸發信號輸入端連接；采集卡（10）的探測信號輸出端與計算機（11）的PCI接口的連接。...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：高強，張治國，曹文武，
申請(專利權)人：昆山昱翌輝華電子科技有限公司，
類型：發明
國別省市：
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