一种基于宽光谱分析技术的多组分气体检测装置

摘要

一种基于宽光谱分析技术的多组分气体检测装置自上而下依次为电控盒，中间筒体和底层筒体；电控盒用于供电和采集数据，与中间筒体连接；中间筒体中部安装宽带光源、气管、微型气泵、空芯光子晶体光纤、三通，微型气泵抽气孔与气管连接，三通一端与光源连接，一端与光纤连接，另一端与气管连接，空芯光子晶体光纤另一端穿过中间筒体底部开孔，伸至底层筒体中，安装在分光器入光处，其余缠绕在筒体侧壁；底层筒体中部安装分光器，通过螺纹固定在底层筒体底面上，线阵探测器通过螺纹固定在分光器焦面处，线阵探测器背部安装视频电路、致冷器、风机，视频电路与探测器焊接，并通过螺钉固定在分光器结构框上，风机、致冷器均通过螺纹固定在底层筒体底面上。

权利要求

1.一种基于宽光谱分析技术的多组分气体检测装置，其特征在于：装置自上而下依次为电控盒(1)、中间筒体(2)和底层筒体(3)；

电控盒为整个装置供电和采集数据，连接在中间筒体上部；中间筒体(2)内部安装宽带光源(4)、气管(5)、微型气泵(6)、空芯光子晶体光纤(7)、三通(8)；底层筒体(3)内部安装分光器(9)、线阵探测器(10)、视频电路(11)、致冷器(12)、风机(13)；微型气泵(6)抽气孔与气管(5)连接；三通(8)一端与宽带光源(4)连接，一端与空芯光子晶体光纤(7)连接，另一端与气管(5)连接，空芯光子晶体光纤(7)另一端穿过中间筒体(2)底部开孔，伸至底层筒体(3)中，安装在分光器(9)入光处，其余缠绕在中间筒体(2)侧壁；分光器(9)固定在底层筒体(3)底面上，线阵探测器(10)固定在分光器(9)焦面处，线阵探测器(10)背部安装视频电路(11)、致冷器(12)、风机(13)，视频电路(11)与线阵探测器(10)焊接，并固定在分光器(9)结构框上，风机(13)、致冷器(12)固定在底层筒体(3)底面上。

2.根据权利要求1所述的一种基于宽光谱分析技术的多组分气体检测装置，其特征在于：所述的分光器(9)采用反射光栅、透射光栅或声光调制器。

3.根据权利要求1所述的一种基于宽光谱分析技术的多组分气体检测装置，其特征在于：所述的空芯光子晶体光纤(7)损耗小于0.1DB/km；为保证空气在光纤内有足够大的流量，空芯光子晶体光纤(7)直径应大于50um；为保证具有装置有足够的测试灵敏度，空芯光子晶体光纤(7)长度应大于10m。

说明书

一种基于宽光谱分析技术的多组分气体检测装置

技术领域

[0001] 本发明属于空间探测技术领域，涉及应用于空间站、深空探测的气体检测技术。本发明涉及一种基于宽光谱分析技术的多组分空气有害气体检测装置。特别是涉及一种利用宽带光源、光子晶体光纤、分光器和线阵探测器作为检测器件对空气中有害气体组分和浓度进行检测的全固件便携式检测装置。

背景技术

[0002] 吸收光谱法是进行气体成分和浓度分析的一种可靠方法。特定波长的光被样品池中的待测气体吸收，探测器测量该波长光的透射率。吸收强度则是气体浓度定量测量的依据。含量的定量测量根据朗伯-比尔定律，即

[0003] A＝εLa

[0004] 其中，A表示样品的吸收率，由实验测得。ε代表物质的吸收系数，同样可由实验测得；L是光在物质中经过的光程，a即为所求物质浓度。

[0005] 在现有的光学技术中，对于气体成分的测量多为非分光红外传感技术，使用单一波长的光源，只能检测一种吸收该波长光的特定的气体，无法实现多组分同时测量，一定程度上限制了其应用范围。而采用宽带光源，结合分光器件和线阵探测器，可测量宽光谱范围内不同波长的光的吸收，实现气体的多组分检测。光源发出的光被待测气体吸收，不同的气体吸收不同波长的光。经过分光系统将不同波长的光分开，探测器测量不同波长的吸收强度。然后，以波长为横坐标，吸收强度为纵坐标作图，就可以得到待测气体在测量波长范围内的吸收谱。吸收谱的吸收波峰位置用于有害气体成分识别，而吸收峰强度测量气体含量。

[0006] 另一方面，基于吸收光谱技术的检测装置的测量灵敏度决定于样品池长度，长度越长，灵敏度越高。为实现ppm级测量灵敏度，样品池的长度通常需要达到数十米，实际使用中难于实现。

发明内容

[0007] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种综合利用宽带光源、空芯光子晶体光纤、分光器和线阵探测器，实现多组分、高灵敏度气体浓度检测的全固件便携式检测装置。

[0008] 本发明的技术解决方案是：一种基于宽光谱分析技术的多组分气体检测装置，装置自上而下依次为电控盒、中间筒体和底层筒体；

[0009] 电控盒为整个装置供电和采集数据，连接在中间筒体上部；中间筒体内部安装宽带光源、气管、微型气泵、空芯光子晶体光纤、三通；底层筒体内部安装分光器、线阵探测器、视频电路、致冷器、风机；微型气泵抽气孔与气管连接；三通一端与宽带光源连接，一端与空芯光子晶体光纤连接，另一端与气管连接，空芯光子晶体光纤另一端穿过中间筒体底部开孔，伸至底层筒体中，安装在分光器入光处，其余缠绕在中间筒体侧壁；分光器固定在底层筒体底面上，线阵探测器固定在分光器焦面处，线阵探测器背部安装视频电路、致冷器、风机，视频电路与线阵探测器焊接，并固定在分光器结构框上，风机、致冷器固定在底层筒体底面上。

[0010] 所述的分光器采用反射光栅、透射光栅或声光调制器。

[0011] 所述的空芯光子晶体光纤要求损耗尽可能小，最好小于0.1DB/km；为保证空气在光纤内有足够大的流量，光纤直径一般应大于50um；为保证具有装置有足够的测试灵敏度，光纤长度应大于10m。

[0012] 本发明的工作原理是：本发明的气体检测装置用于多种气体成分浓度测量，测量时由微型气泵通过气管将气体抽入空芯光子晶体光纤中，结合利用宽带光源、分光器和线阵探测器对气体光谱进行宽光谱分析，宽带光源发出的光在空芯光子晶体光纤的空芯中传播，空芯光子晶体光纤中存在的不同气体会吸收不同波长的光。从空芯光子晶体光纤出来的光在经过分光器在空间上被线性地分开，不同波长的光位于不同的位置。这时，采用线阵探测器及其视频电路可同时测量宽谱段内所有波长的吸收情况。由于每一种气体成分都有其独特的吸收峰位置和吸收峰强度，因此，测得吸收谱吸收峰的波长和吸收强度变化能够反映气体的成分和浓度。风机和致冷器使探测器工作在低温状态，以降低系统噪声。光源采用宽带光源；分光器可采用反射光栅、透射光栅或声光调制器，电控盒用于供电和采集数据。

[0013] 本发明与现有技术相比有益效果为：

[0014] (1)本发明提出采用吸收光谱法实现气体成分和浓度分析的设计思想和总体方案，与其他气体测量方法相比，具有易于制样、仪器简单可靠、测量快速、多种气体成分同时测量等优点。

[0015] (2)本发明的多组分有害气体检测装置，不同于使用单一波长光源的非分光红外传感器，它结合利用宽带光源、分光器和线阵探测器同时对气体光谱进行宽光谱分析，可同时完成多种气体浓度测量。同时，由于利用可缠绕的空芯光子晶体光纤作为样品池，大大减小了装置的体积和重量，便于携带。

[0016] (3)本发明提出采用光子晶体光纤做样品池的设计思想，空芯光纤是光子晶体光纤中的一种，是近几年来出现的先进光学器件。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导独特的波导结构，输入光耦合进光纤后，在中空的纤芯中传输，而空芯纤芯同时作为空气样品池。由于空芯光纤可以缠绕，因此可以在有限的空间内实现较大长度，最长可达1 km，从而有效延长光程，解决了在有限的空间内实现长光程样品池的难题，有效提高了测量灵敏度，可同时进行十余种气体成分和浓度的测量，具有检测灵敏度高、小型化的特点。

[0017] (4)本发明检测装置性能稳定，检测灵敏度高，小型化，抗干扰，适合在各种环境下工作。本发明具有设备简单，易于实现的优点。

附图说明

[0018] 图1是本发明的外形图；

[0019] 图2是本发明中间筒体安装布局图；

[0020] 图3是本发明底层筒体安装布局图。

具体实施方式

[0021] 如图1～3所示，本发明的高灵敏度、多组分气体检测装置，装置自上而下依次为电控盒1，中间筒体2和底层筒体3；

[0022] 电控盒1包括三块电路板和五个供电模块，用于供电和采集数据，与中间筒体2螺纹连接，供电和数据采集电路板可根据需要采购或自行研制。

[0023] 中间筒体2中部安装光源4(本例中选用宽带光源)、气管5、微型气泵6、空芯光子晶体光纤7、三通8，微型气泵6抽气孔与气管5连接，三通8一端与光源4连接，一端与空芯光子晶体光纤7连接，另一端与气管5连接，空芯光子晶体光纤7一端与三通8连接，另一端穿过中间筒体2底部开孔，伸至底层筒体3中，安装在分光器9入光处，其余缠绕在中间筒体2侧壁；

[0024] 底层筒体3中部安装分光器9，通过螺纹固定在底层筒体3底面上，线阵探测器10通过螺纹固定在分光器9焦面处，线阵探测器10背部安装视频电路11、致冷器12、风机13，视频电路11与线阵探测器10焊接，并通过螺钉固定在分光器9结构框上，风机13、致冷器12均通过螺纹固定在底层筒体3底面上。其中空芯光子晶体光纤7要求损耗尽可能小，最好小于0.1DB/km；为保证空气在光纤内有足够大的流量，光纤直径一般应大于50um；为保证装置有足够的测试灵敏度，光纤长度应大于10m。

[0025] 测量时由安装在中间筒体2的微型气泵6通过气管5将气体抽入空芯光子晶体光纤7中，宽带光源4发出的光在空芯光子晶体光纤7中传播，空芯光子晶体光纤7中存在的不同气体会吸收不同波长的光。从空芯光子晶体光纤7出来的光在经过安装在底层筒体3的分光器9在空间上被线性地分开，不同波长的光位于线阵探测器10不同的像元上。这时，经线阵探测器10的视频电路11可同时读出宽谱段内所有波长的吸收峰位置和吸收峰强度，由测得吸收谱吸收峰的波长和吸收强度变化能够反映气体的成分和浓度。风机13和致冷器12使线阵探测器10工作在低温状态，以降低系统噪声。电控盒1用于供电和采集数据，通过电缆给宽带光源4、微型气泵6、视频电路7、风机13供电，并通过电缆采集由视频电路11读出宽谱段内所有波长的吸收峰位置和吸收峰强度。

[0026] 本发明装置中相关部件，例如线阵探测器10、视频电路11、微型气泵6、致冷器12等等都是本领域的常用设备，可以自行研制或者购买，此处不针对具体的设备结构进行详细说明，本领域技术人员根据上述描述结合本领域普通基础知识即能够实现本发明的目的。

[0027] 本发明未详细说明的部分属于本领域技术人员公知常识。