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原文传递一种采用单光声池测量多组分气体的激光光声光谱检测装置

专利名称：	一种采用单光声池测量多组分气体的激光光声光谱检测装置
摘要：	一种采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，该装置包括截止阀(1)、颗粒物过滤装置(2)、气体干燥装置(3)、电磁开关阀一(4)、压力传感器(5)、电磁开关阀二(6)、音速喷嘴(7)、真空泵(8)、量子级联激光器阵列模块(9)、分光镜模块(10)、待测参比气室(11)、差分共振光声池(12)、声电转换模块(13)、恒温箱(14)、光功率检测器(15)、消光池(16)、锁相放大电路(17)和工控机(18)；所述量子级联激光器阵列模块(9)将多束激光耦合到一束光路中。该装置实现了单光声池同时测量多种故障气体组份。具有抗干扰能力强，设备长期稳定性好，精度高，后期免维护的优点，可实现测量痕量气体至100％浓度气体。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	重庆;50
申请人：	重庆大学
发明人：	陈伟根;王飞鹏;周湶;万福;王有元;杨天荷;王品一;杜林;谭亚雄;李剑;黄正勇
专利状态：	有效
申请日期：	2019-01-22T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-17T00:00:00+0800
申请号：	CN201910060515.3
公开号：	CN109765185A
代理机构：	北京智绘未来专利代理事务所(普通合伙)
代理人：	张红莲
分类号：	G01N21/17(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	400044 重庆市沙坪坝区沙正街127号
主权项：	1.一种采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，该装置包括截止阀(1)、颗粒物过滤装置(2)、气体干燥装置(3)、电磁开关阀一(4)、压力传感器(5)、电磁开关阀二(6)、音速喷嘴(7)、真空泵(8)、量子级联激光器阵列模块(9)、分光镜模块(10)、待测参比气室(11)、差分共振光声池(12)、声电转换模块(13)、恒温箱(14)、光功率检测器(15)、消光池(16)、锁相放大电路(17)和工控机(18)；其中，待测气体经过的气路通道依次为截止阀(1)、颗粒物过滤装置(2)、气体干燥装置(3)、电磁开关阀一(4)、压力传感器(5)、待测参比气室(11)、电磁开关阀二(6)、音速喷嘴(7)和真空泵(8)；激光由量子级联激光器阵列模块(9)产生，经过分光镜模块(10)进入待测参比气室(11)，所述量子级联激光器阵列模块(9)将多束激光耦合到一束光路中。 2.如权利要求1所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，所述量子级联激光器阵列模块(9)包括激光器驱动及温控模块(91)、量子级联激光器阵列(92)、光路校准激光(93)、全波长全反镜(94)和特定波长全反镜(95-98)。 3.如权利要求2所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，所述量子级联激光器阵列(92)包括多个量子级联激光器和多个聚焦透镜。 4.如权利要求3所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，量子级联激光器和聚焦透镜均设置为三个，每个量子级联激光器(921-923)激发针对待测气体中单一或多种组分吸收峰的超窄线宽激光，并由聚焦透镜(924-926)聚焦后通过所述特定波长全反镜(95-98)与所述全波长全反镜(94)汇聚到同一光路后射入所述分光镜模块(10)中。 5.如权利要求4所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，所述量子级联激光器(921-923)之间采用模拟开关模式进行切换，实现不同的波长输出。 6.如权利要求2所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，所述量子级联激光器阵列模块(9)中激光器驱动及温控模块(91)可根据实际情况自由调节电流的大小以及根据需要实现kHz调制输出，结合半导体制冷器实现芯片温度控制，准确调节芯片波长。 7.如权利要求3所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，所述量子级联激光器阵列模块(9)中的量子级联激光器阵列(92)可实现单个激光器检测多气体组份的功能，用于检测变压器时：量子级联激光器一(921)的波长可调谐范围为7.10μm-7.38μm，波长涵盖C2H4、CH4、C2H2三种气体的特征吸收峰，所选C2H4、CH4、C2H2气体特征吸收峰波长分别位于7.10μm、7.38μm、7.37μm；量子级联激光器二(922)的波长可调谐范围为4.34μm-4.54μm，波长涵盖CO、CO2两种气体的特征吸收峰，所选CO、CO2气体特征吸收峰波长分别位于4.54μm、4.34μm；量子级联激光器三(923)的波长为3.35μm，涵盖C2H6气体的特征吸收峰，所选C2H6气体特征吸收峰波长位于3.35μm。 8.如权利要求3所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，所述量子级联激光器阵列模块(9)中的量子级联激光器阵列(92)可实现单个激光器检测多气体组份的功能，用于检测GIS装备SF6分解气体时：量子级联激光器一(921)的波长为7.07μm，波长涵盖H2S气体的特征吸收峰，所选H2S气体特征吸收峰波长位于7.07μm；量子级联激光器二(922)的波长可调谐范围为4.34μm-4.54μm，波长涵盖CO、CO2两种气体的特征吸收峰，所选CO、CO2气体特征吸收峰波长分别位于4.54μm、4.34μm；量子级联激光器三(923)的波长可调谐范围为7.43μm-7.87μm，波长涵盖SO2、CF4、SO2F2三种气体的特征吸收峰，所选SO2、CF4、SO2F2气体特征吸收峰波长分别位于7.43μm、7.79μm、7.87μm。 9.如权利要求3所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，所述量子级联激光器阵列模块(9)中的量子级联激光器阵列(92)可实现单个激光器检测多气体组份的功能，用于检测石化天然气质量控制中气体时：量子级联激光器一(921)的波长为7.07μm-7.43μm，波长涵盖H2S、SO2两种气体的特征吸收峰，所选H2S、SO2气体特征吸收峰波长分别位于7.07μm、7.43μm；量子级联激光器二(922)的波长为4.34μm，波长涵盖CO2气体的特征吸收峰，所选CO2气体特征吸收峰波长位于4.34μm；量子级联激光器三(923)的波长可调谐范围为4.83μm，波长涵盖COS气体的特征吸收峰，所选COS气体特征吸收峰波长位于4.83μm。 10.如权利要求3所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，所述量子级联激光器阵列模块(9)中的量子级联激光器阵列(92)可实现单个激光器检测多气体组份的功能，用于检测石化甲醇生产装备转换合成效率时监控气体：量子级联激光器一(921)的波长为7.54μm，波长涵盖CH4气体的特征吸收峰，所选CH4气体特征吸收峰波长位于7.54μm；量子级联激光器二(922)的波长可调谐范围为4.34μm-4.54μm，波长涵盖CO、CO2二种气体的特征吸收峰，所选CO、CO2气体特征吸收峰波长分别位于4.54μm、4.34μm。 11.如权利要求2所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，所述光路校准激光(93)为肉眼可见波长的激光，其通过所述特定波长全反镜(95-98)与所述全波长全反镜(94)汇聚后射入所述分光镜模块(10)。 12.如权利要求11所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，所述光路校准激光(93)为波长0.38μm-0.78μm的可见光。 13.如权利要求2所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，所述全波长全反镜(94)和所述特定波长全反镜(95-98)的角度可以通过底座进行手动调节。 14.如权利要求1所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，所述的分光镜模块(10)包括一块半透半反镜(101)以及一块全反镜(102)，将由量子级联激光器阵列模块(9)射入的激光分解为两束能量相同的激光。 15.如权利要求14所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，所述半透半反镜(101)为宽带半透半反镜，或由驱动电机控制的窄带半透半反镜转盘构成，转盘根据发射的激光波长转换特定波段的半透半反镜。 16.如权利要求14所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，所述半透半反镜(101)与所述全反镜(102)的角度可以通过底座进行手动调节。 17.如权利要求1所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，所述的待测参比气室(11)包括待测气室(117)与参比气室(118)，待测气体通过进气口(111)进入所述待测气室(117)，所述参比气室(118)由充气口一(119)预充N2、He、Ar或空气。 18.如权利要求1所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，所述差分共振光声池(12)为一阶纵向共振光声池，用于产生光声信号；所述声电转换模块(13)用于检测该差分光声信号。 19.如权利要求18所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，用于检测变压器时：所述差分共振光声池(12)通过充气口二(127)预充C2H4、CH4、C2H2、CO、CO2、C2H6以及N2七种气体，其中C2H4、CH4、C2H2、CO、CO2、C2H6的比例与其吸收系数成正比，预充的这六种气体体积浓度比例系数为700:70:50:5:5:1。 20.如权利要求18所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，用于检测变压器时：用于检测GIS装备SF6分解气体时：所述差分共振光声池(12)通过充气口二(127)预充H2S、CO、CO2、SO2、CF4、SO2F2以及N2七种气体，其中C2H4、CH4、C2H2、CO、CO2、C2H6的比例与其吸收系数成正比，预充的这六种气体体积浓度比例系数为60000:80:80:120:1:10。 21.如权利要求18所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，用于检测石化天然气质量控制中气体时：所述差分共振光声池(12)通过充气口二(127)预充H2S、SO2、CO2、COS以及N2五种气体，其中H2S、SO2、CO2、COS的比例与其吸收系数成正比，预充的这四种气体体积浓度比例系数为4000:10:5:1。 22.如权利要求18所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，用于检测石化甲醇生产装备转换合成效率监控气体时：所述差分共振光声池(12)通过充气口二(127)预充CH4、CO、CO以及N2四种气体，其中CH4、CO、CO2的比例与其吸收系数成正比，预充的这三种气体体积浓度比例系数为10:1:1。 23.如权利要求1所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，所述待测参比气室(11)与所述差分共振光声池(12)放置于所述恒温箱(14)以维持一恒定温度。 24.如权利要求2所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，所述光功率检测器(15)用于检测激光的功率漂移，并将功率漂移信号实时反馈给所述激光器驱动及温控模块(91)，通过对所述激光器驱动及温控模块(91)参数的调整实现对所述量子级联激光器阵列(92)输出波长和能量进行修正。 25.如权利要求1所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，所述的消光池(16)用于吸收未用于激发光声信号的激光能量。 26.如权利要求19-22任一项所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，所述消光池(16)内充满高浓度的与所述差分共振光声池(12)同种类的气体组份。 27.如权利要求1所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，所述锁相放大电路(17)和所述工控机(18)用于提取特定波长频率信号，测量频率范围1kHz-4kHz。 28.如权利要求26所述的采用单光声池测量多组分气体的光声光谱检测装置，其特征在于，所述锁相放大电路(17)和所述工控机(18)可过滤掉1kHz-4kHz以外的噪声信号，折算到输入端的噪音为50nV，温度漂移≤10ppm/℃，放大器的放大倍数可调范围不低于104。
所属类别：	发明专利