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原文传递顺磁性气体分子浓度检测系统和方法

专利名称：	顺磁性气体分子浓度检测系统和方法
摘要：	本发明提供了一种顺磁性气体分子浓度检测系统和方法，包括：控制器，用于产生激光调制信号和磁场调制信号；光学单元，用于产生激光、将气体分子浓度信息转化为腔透射光的偏振信息；电学测量单元，用于在谐振腔中产生交变磁场、将腔透射光的偏振信息转换为电信号并从中提取反映气体浓度信息的谐波信号；反馈锁频单元，用于将来自谐振腔的反射光信号转换为电信号并从中提取用于调整激光器驱动电流的误差信号，实现激光频率与谐振腔频率的锁定；腔长锁定单元，用于控制压电陶瓷驱动器锁定谐振腔腔长。本方法可以提高顺磁性气体分子的检测灵敏度。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	北京交通大学
发明人：	何启欣;冯其波;李家琨
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-12T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-09T00:00:00+0800
申请号：	CN201910293720.4
公开号：	CN109991172A
代理机构：	北京市商泰律师事务所
代理人：	孙洪波
分类号：	G01N21/23(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	100044 北京市海淀区西直门外上园村3号
主权项：	1.一种顺磁性气体分子浓度检测系统，其特征在于，包括：控制器、激光器驱动器、光学单元、电学测量单元、反馈锁频单元和腔长锁定单元；所述的控制器，用于产生激光调制信号和磁场调制信号；所述的光学单元包括谐振腔，所述光学单元的第一输入端与所述的激光器驱动器的输出端电路连接，用于将气体分子浓度信息转化为腔透射光的偏振信息；所述的电学测量单元包括检偏器、第一光电探测器、锁相放大器、第一功率分束器和螺旋线圈驱动器，所述光学单元的谐振腔透射光耦合至所述检偏器中并被第一光电探测器探测，得到可反映腔透射光偏振信息的电信号，第一光电探测器与锁相放大器电路连接，所述的第一功率分束器接收所述控制器产生的磁场调制信号，分别与所述的锁相放大器和螺旋线圈驱动器电路连接，所述的螺旋线圈驱动器电路连接至所述光学单元的第二输入端，用于在谐振腔内产生交变磁场；所述的锁相放大器用于将得到的电信号与磁场调制信号进行相关运算，从中提取反映气体浓度信息的谐波信号；所述的反馈锁频单元包括顺序电路连接的第二光电探测器、高通滤波器、乘法器、第一低通滤波器和第一PID控制器，所述的第二光电探测器与所述光学单元的第一输出端光耦合连接，用于接收来自谐振腔的反射光，通过所述的第二光电探测器将腔反射光信号转换为电信号，通过高通滤波器对电信号进行滤波；高通滤波器的输出端与乘法器的第一输入端电路连接，乘法器的第二输入端与所述控制器电路连接，来自高通滤波器的信号与来自控制器的调制电信号进行乘法运算得到误差信号，乘法器的第一输出端电路连接至第一低通滤波器，然后与第一PID控制器的输入端电路连接；第一PID控制器产生控制信号输入至激光器驱动器，用于调整激光器驱动电流，实现激光频率与谐振腔频率的锁定；所述的腔长锁定单元包括通过乘法器的第二输出端顺序电路连接的第二低通滤波器、第二PID控制器和压电陶瓷驱动器，并连接至所述的光学单元的谐振腔，所述的第二PID控制器产生控制信号输入至压电陶瓷驱动器用于通过压电陶瓷驱动器实现对所述谐振腔的腔长锁定。 2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的光学单元还包括顺序光耦合连接的激光器、光隔离器、偏振分光镜、模式匹配透镜和起偏器；所述的激光器，用于作为所述光学单元的第一输入端，用于在所述激光器驱动器的驱动下发射激光；所述的光隔离器，用于阻止反射光进入所述激光器；所述的偏振分光镜，用于作为所述光学单元的第一输出端，引导来自所述光隔离器的激光进入模式匹配透镜和来自谐振腔的反射光进入第二光电探测器；所述的模式匹配透镜，用于实现激光与谐振腔之间的模式匹配；所述的起偏器，与所述的谐振腔光耦合连接，用于将激光转变为线偏振光。 3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的谐振腔包括：第一平凹高反镜、第二平凹高反镜、压电陶瓷、螺旋线圈、第一窗镜、第二窗镜、进气口和出气口；所述的第一平凹高反镜和第二平凹高反镜，用于待测气体经过进气口进入谐振腔中时，进入谐振腔的激光在所述第一平凹高反镜和第二平凹高反镜之间来回反射；所述的压电陶瓷，用于固定所述第一平凹高反镜，所述压电陶瓷电路连接所述腔长锁定单元的压电陶瓷驱动器，通过调节所述压电陶瓷对谐振腔的腔长进行锁定；所述螺旋线圈，用于作为光学单元的第二输入端，产生交变磁场；所述第一窗镜和第二窗镜，用于对所述谐振腔进行密封；所述进气口和出气口，用于对待检测气体进行吸入和排出。 4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的控制器为微控制器。 5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的微控制器采用数字信号处理芯片TMS320F28335。 6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括第二功率分束器，所述第二功率分束器与所述控制器电路连接，用于将控制器产生的正弦调制信号经过第二功率分束器后分成两路，一路输入至激光器驱动器产生激光器频率调制信号，另一路作为参考信号输入至乘法器的第二输入端。 7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的控制器输出的激光调制信号频率为100 MHz～1GHz，磁场调制信号频率为1kHz～10kHz。 8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的激光器为带间级联激光器。 9.一种应用权利要求1-8任一项所述的系统检测顺磁性气体分子浓度的方法，包括以下步骤： 1)将确定浓度的顺磁性气体通入谐振腔，设定控制器的激光器温度和驱动电流，使激光器发光波长位于待测气体吸收线上，依次启动激光器、第一光电探测器、第二光电探测器； 2)通过控制器产生频率为100 MHz～1GHz的激光调制信号，并将其分成两路，一路输入激光器驱动器的高频调制电路来调制激光频率，另一条路作为参考信号经过移相后输入乘法器，与来自谐振腔的反射光信号混频； 3)设定第一PID控制器的比例、积分和微分系数，启动第一PID控制器，锁定激光器频率； 4)设定第二PID控制器的比例、积分和微分系数,启动第二PID控制器和压电陶瓷驱动器，锁定谐振腔的腔长； 5)通过控制器设定磁场调制参数，启动螺旋线圈驱动器；设定锁相放大器参数，启动锁相放大器，通过锁相放大器采集一次谐波幅值并存储，设定采集时间，到达采集时间后计算一次谐波平均值，并排空所述顺磁性气体； 6)选取一定范围浓度的所述顺磁性气体，分别通入所述谐振腔，并通过上述步骤5)得到对应浓度得到的谐波平均值，根据所述顺磁性气体的浓度及对应的谐波平均值作标定曲线； 7)参数不变的条件下，将待测顺磁性气体通入所述谐振腔，通过上述步骤5)得到对应的平均值，根据所述的标定曲线得到所述待测顺磁性气体的浓度。
所属类别：	发明专利