开放式气体多组分监测仪及监测方法

摘要

本发明公开了一种基于半导体激光吸收光谱法的多波长多组分大气痕量气体NH3和H2O高灵敏在线监测仪。包括有主机箱和开放式长光程系统，主机箱上安装有电源插座、开关、光纤连接器，数据传输接口，其特征在于机箱内有近红外半导体激光器，半导体激光控制器、锁相放大器、信号发生器、数据采集处理和控制模块，红外探测器，主机箱与现场光学系统通过光纤连接。开放式光学系统包括收发一体的光学望远镜和多元件角反射镜阵列，光学望远镜上有输入光纤耦合器和输出光纤耦合器。该仪器的特征在于利用基于多波长和频分多路信号检测技术实现了多气体组分的同时检测。

主权项

开放式NH3和H2O多组分监测方法，其特征在于：(1)、采用中心波长为1544nm的近红外DFB半导体激光器作为NH3的检测激光光源，通过控制激光温度、电流将近红外DFB半导体激光器输出中心波长调谐到NH3的一条吸收线中心，将频率为f0的锯齿波信号叠加在近红外DFB半导体激光器的驱动电流上使激光波长缓慢扫描过NH3气体的吸收线，同时将频率为f1正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行调制；(2)、采用中心波长为1392nm的近红外DFB半导体激光器作为H2O的检测激光光源，通过控制激光温度、电流将激光器输出中心波长调谐到H2O的一条吸收线中心，同样，将频率为f0的锯齿波信号叠加在激光器的驱动电流上使激光波长缓慢扫描过H2O气体的吸收线，同时，将频率为f2正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行调制；(3)、两台激光器的尾纤输出首先通过连接法兰耦合入2×1合束器，此时合束器中尾纤输出的激光包含了上述两个波长分量，合束后的激光通过输入光纤由输入光纤耦合器耦合到收发光学望远镜侧壁，耦合光束经安装在望远镜镜筒中央的离轴抛物面镜扩束后以平行光出射，光束经过检测区域后被放置在光路另一端的角反射镜组反射后沿原光路返回，反射回来的光被望远镜镜筒底部的主球面镜收集，然后由安装在离轴抛物面镜后方的副球面镜聚焦到导出光纤耦合器的耦合端上，由导出光纤耦合器耦合入输出光纤传输到达一个内置的充满已知浓度的NH3和H2O标准混合气体的校准吸收池，用于对检测吸收信号的实时校准；(4)、校准吸收池的出射光经过透镜聚焦到红外光电探测器的光敏面上，红外光电探测器信号被分为两路，分别送一个锁相放大器进行二次谐波信号检测，从而同时解调出探测器上的NH3和H2O的吸收谱线，把测量到的吸收谱与标准谱进行最小二乘拟合，得到与记录下的当前时间相对应时刻的气体浓度，对浓度值进行估值滤波，然后更新滤波系数，把时间与浓度对应保存并在计算机和监测仪上进行显示；(5)、重复以上步骤实现连续在线监测。