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原文传递一种免标定的气体浓度测量装置及方法

专利名称：	一种免标定的气体浓度测量装置及方法
摘要：	一种免标定的气体浓度测量装置及方法，其装置包括直接吸收光谱装置和衰荡光谱装置，两装置气室相互联通，共用一个激光器。激光器出射光分为两束，一束进入直接吸收光谱装置，另一束进入衰荡光谱测量装置，通过程序控制实现两种光谱技术分时测量。该方法通过直接拟合透射光强，得到气体浓度，实现了直接吸收光谱免标定测量。利用直接吸收光谱测量的气体吸收率，以及衰荡光谱测量的蕴含气体吸收的衰荡时间，计算得到空腔衰荡时间，实现衰荡光谱免标定测量。本发明根据两种光谱的测量精度和量程智能选择测量结果，测量精度在高浓度时约10‑20ppm，低浓度时小于1ppm，且测量过程无需标定，具有测量速度快、操作简单等优点。
专利类型：	发明专利
申请人：	清华大学
发明人：	彭志敏;王振;丁艳军
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T20:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T08:00:00+0805
申请号：	CN201911328202.8
公开号：	CN111122496A
代理机构：	北京鸿元知识产权代理有限公司
代理人：	邸更岩
分类号：	G01N21/39;G;G01;G01N;G01N21;G01N21/39
申请人地址：	100084 北京市海淀区北京市100084信箱82分箱清华大学专利办公室
主权项：	1.一种免标定的气体浓度测量装置，该测量装置包括可调谐半导体激光器(3)、激光控制器(2)、信号发生器(22)、计算机(1)、干涉仪(23)、第一光电探测器(21)和长光程气体吸收池(17)；其特征在于：该气体浓度测量装置还包括衰荡光谱测量装置，该装置包括衰荡腔(8)、第二光电探测器(13)和脉冲延迟器(15)以及声光调制器(6)；所述衰荡腔(8)与长光程气体吸收池(17)通过管路连接；所述可调谐半导体激光器(3)发出的激光束经过光隔离器(4)、分束器(5)后分为两束，一束经过第一光准直器(16)、长光程气体吸收池(17)、第二聚焦透镜(20)和第一光电探测器(21)后，经采集卡(14)采集；另一束经过声光调制器(6)、第二光准直器(7)、衰荡腔(8)、第二聚焦透镜(12)和第二光电探测器(13)后分为两路，分别进入采集卡(14)和脉冲延迟器(15)；采集卡(14)采集的两路信号进入计算机(1)分析处理，并反馈给激光控制器(2)。 2.采用如权利要求1所述装置的一种免标定的气体浓度测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤： 1)根据待测气体种类，从光谱数据库中选取相应的吸收光谱谱线，其中心频率为v0，谱线强度为S；长光程气体吸收池和衰荡腔通过连接管(24)联通并充入待测气体，待测气体温度为T，压力为P； 2)通过计算机控制激光器的温度和电流，使激光波长在谱线中心频率v0附近以三角波的形式扫描；入射到长光程气体吸收池前的瞬时入射光强度信号为I0；穿过长光程吸收池后，瞬时透射光强信号为It；根据比尔-朗伯定律，It可表示为：式中：L为气体吸收池有效光程，X为待测气体浓度，为待测气体谱线线型函数，利用干涉仪标定激光相对波长v，采用公式(1)对测量的It进行拟合即得到吸收率函数α(v)； 3)通过计算机控制激光器的温度和电流，使激光波长固定在谱线中心频率v0处，利用压电陶瓷扫描衰荡腔的腔长；当第二光电探测器的接收光强最大时，脉冲延迟器发出脉冲信号，该信号使声光调制器瞬间关断激光，从而得到单指数式衰减的光强信号，对此信号进行拟合即得到衰荡时间τ：式中：c为光速，为中心频率v0处待测气体谱线线型函数，τ0为空腔衰荡时间；根据步骤2)，得到则中心频率v0处有将其代入公式(2)得到：将测量的衰荡时间τ和中心频率v0处的α(v0)代入公式(3)即得到空腔衰荡时间τ0，再将计算的τ0代入公式(2)，即实现气体浓度X的测量。
所属类别：	发明专利