專利名稱：用于激光吸收光譜技術(shù)的吸收光程延長的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于激光吸收光譜技術(shù)的吸收光程延長的裝置及方法，屬于氣體測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光吸收光譜技術(shù)已經(jīng)成為氣體物質(zhì)含量檢測的一種常用的技術(shù)手段，為了實(shí)現(xiàn)痕量氣體的檢測，一個常用的直接方法是增加光通過被測氣體的光程長度，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的吸收來達(dá)到提高信噪比的目的。目前用于延長吸收光程的方法主要包括多通池多次反射法、高反射腔增強(qiáng)法、積分球漫反射法等。這些方法盡管可以獲得幾十倍至幾萬倍的吸收光程放大倍數(shù)，但是基于這些方法的氣體容器體積大，不利于測量系統(tǒng)的小型化，同時(shí)降低了氣體的更換速度，最終導(dǎo)致整個系統(tǒng)的檢測響應(yīng)速度慢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有的激光吸收光譜技術(shù)吸收光程延長方法所導(dǎo)致的氣體容器體積大、檢測響應(yīng)速度慢的問題，提供了一種用于激光吸收光譜技術(shù)的吸收光程延長的裝置及方法。本發(fā)明所述用于激光吸收光譜技術(shù)的吸收光程延長的裝置，它包括氣體池、多孔材料芯、探測器、一維平移臺和放大器，氣體池內(nèi)設(shè)置有多孔材料芯，激光光束入射至氣體池，該激光光束穿過多孔材料芯后入射至探測器的光敏面，探測器由一維平移臺帶動沿探測器的光敏面所在平面做一維移動，探測器將探測到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并通過放大器放大后輸出。基于上述裝置的吸收光程延長方法為在一維平移臺帶著探測器移動的方向上建立一維坐標(biāo)系，該一維坐標(biāo)系的原點(diǎn)為探測器初始位置，初始位置點(diǎn)的坐標(biāo)Xtl = 0，驅(qū)動一維平移臺帶著探測器自初始位置點(diǎn)開始移動了 η個位置點(diǎn)，每個位置點(diǎn)的坐標(biāo)為\，i = O, 1,2, . . .，η，η為自然數(shù)，且η = 7 20，測量探測器在第i個位置對應(yīng)的吸收光程為Lrff (Xi)，根據(jù)η個位置點(diǎn)及其對應(yīng)吸收光程，通過二次多項(xiàng)式擬合獲得吸收光程Leff(Xi)與探測器位置坐標(biāo)X的關(guān)系式f(x)= Leff (X)，進(jìn)而通過調(diào)整探測器的位置來達(dá)到預(yù)期的吸收光程。在實(shí)際應(yīng)用中通過調(diào)整探測器的位置來調(diào)整有效吸收光程的大小，實(shí)施方法為根據(jù)f(x) = Leff(x)獲得的多項(xiàng)式，得到其反函數(shù)x(Lrff)，將所需要得到的有效吸收光程Leff =Ln代入此反函數(shù)中即可獲得探測器所對應(yīng)的坐標(biāo)位置X (Ln)，通過調(diào)節(jié)一維平移臺來將探測器移到此位置點(diǎn)即可獲得預(yù)期的有效吸收光程。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明在采用小體積氣體池的情況下仍然可以獲得較大的吸收光程放大倍數(shù)，也就是在保證吸收光譜測量系統(tǒng)小型化的前提下顯著提高測量結(jié)果的信噪比，從而提高氣體檢測的靈敏度。此外，可以在不對氣體池本身做任何變動的情況下，通過移動探測器的位置來調(diào)節(jié)吸收光程的放大倍數(shù)。


圖I是本發(fā)明所述用于激光吸收光譜技術(shù)的吸收光程延長的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是多孔材料芯的形狀為長方體時(shí)，該長方體的激光光束入射面的主視圖；圖3是圖2的側(cè)視圖；圖4是多孔材料芯的形狀為圓柱體時(shí)，該圓柱體的激光光束入射面的主視圖；圖5是圖4的側(cè)視圖；圖6是激光光束入射至多孔材料芯表面入射角度示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖I說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述用于激光吸收光譜技術(shù)的吸收光程延長的裝置，它包括氣體池I、多孔材料芯2、探測器3、一維平移臺4和放大器5，氣體池I內(nèi)設(shè)置有多孔材料芯2，激光光束入射至氣體池1，該激光光束穿過多孔材料芯2后入射至探測器3的光敏面，探測器3由一維平移臺4帶動沿探測器3的光敏面所在平面做一維移動，探測器3將探測到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并通過放大器5放大后輸出。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式對實(shí)施方式一作進(jìn)一步說明，多孔材料芯2的組成物質(zhì)為氧化鋁、氧化鋯或氧化鈦中的一種或幾種，材料孔隙率大于30%，材料孔平均直徑小于 10 μ m。
具體實(shí)施方式
三下面結(jié)合圖2和圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式對實(shí)施方式一作進(jìn)一步說明，多孔材料芯2的形狀為長方體，該長方體的激光光束入射面的長度為a，寬度為b ;垂直于激光光束入射面的長方體的厚度為d，且滿足a > b > 3d。
具體實(shí)施方式
四下面結(jié)合圖4和圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式對實(shí)施方式一作進(jìn)一步說明，多孔材料芯2的形狀為圓柱體，該圓柱體的激光光束入射圓面的直徑為e， 垂直于激光光束入射面的圓柱體的厚度為f，且滿足e > 3f。
具體實(shí)施方式
五基于實(shí)施方式一所述裝置的吸收光程延長的方法為在一維平移臺4帶著探測器3移動的方向上建立一維坐標(biāo)系，該一維坐標(biāo)系的原點(diǎn)為探測器3初始位置，初始位置點(diǎn)的坐標(biāo)Xtl = O,驅(qū)動一維平移臺4帶著探測器3自初始位置點(diǎn)開始移動了 η個位置點(diǎn)，每個位置點(diǎn)的坐標(biāo)為Xi, i = 0,1,2, . . . , η, η為自然數(shù),且η = 7 20,測量探測器3在第i個位置對應(yīng)的吸收光程為Lrff (Xi)，根據(jù)η個位置點(diǎn)及其對應(yīng)吸收光程，通過二次多項(xiàng)式擬合獲得吸收光程Leff (Xi)與探測器3位置坐標(biāo)X的關(guān)系式f (X)
=Leff (X)，進(jìn)而通過調(diào)整探測器3的位置來達(dá)到預(yù)期的吸收光程。在實(shí)際應(yīng)用中通過調(diào)整探測器的位置來調(diào)整有效吸收光程的大小，實(shí)施方法為根據(jù)f(x) = Leff(x)獲得的多項(xiàng)式，得到其反函數(shù)x(Lrff)，將所需要得到的有效吸收光程Leff =Ln代入此反函數(shù)中即可獲得探測器3所對應(yīng)的坐標(biāo)位置X(Ln)，通過調(diào)節(jié)一維平移臺4來將探測器3移到此位置點(diǎn)即可獲得預(yù)期的有效吸收光程。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式對實(shí)施方式五作進(jìn)一步說明，測出任一位置點(diǎn)Xi時(shí)的吸收光程Lrff(Xi)的過程為測量探測器3在第i個位置對應(yīng)的吸收光程Leff(Xi)的過程為步驟一、探測器3固定在該位置點(diǎn)，在氣體池I內(nèi)充入緩沖氣氮?dú)?，調(diào)整激光光束入射至氣體池1，放大器5將探測器3采集的光強(qiáng)信號放大后輸出，根據(jù)該放大后的信號計(jì)算獲得多孔材料芯2散射出的無吸收光強(qiáng)度Itl ；步驟二、在氣體池I內(nèi)充入已知濃度的樣品氣體，調(diào)整激光光束入射至氣體池1， 放大器5將探測器3采集的光強(qiáng)信號放大后輸出，根據(jù)該放大后的信號計(jì)算獲得吸收光強(qiáng)度It;步驟三、根據(jù)步驟一獲取的氮?dú)夤鈴?qiáng)度Itl和步驟二獲取的樣品光強(qiáng)度It按公式 ⑷
σΝ計(jì)算獲得探測器3位于該位置時(shí)對應(yīng)的光程Leff(Xi)，式中，N為樣品氣體的濃度，σ為樣品氣體的吸收截面。該截面可由光譜數(shù)據(jù)庫查得。工作原理激光光束入射至多孔材料芯2，經(jīng)過入射表面多孔結(jié)構(gòu)散射后光子會延不同的反向散射開來，一些光子以不同的散射方向進(jìn)入到多孔材料芯2內(nèi)部，在內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)繼續(xù)的散射作用下，沿著不同的方向前進(jìn)，最后在多孔材料芯2的不同表面的不同位置處逸出。由于光子在多孔材料芯2內(nèi)部不是沿著直線傳播的，而是在多孔結(jié)構(gòu)的散射作用下曲折式前進(jìn)，相比于直線式的傳播方式所經(jīng)歷的吸收光程可以擴(kuò)大幾倍至幾萬倍。 在氣體池內(nèi)充入氣體后，氣體會滲入到多孔材料芯2內(nèi)部并很快達(dá)到平衡狀態(tài)，使得氣體池I內(nèi)部各個位置的氣體濃度是一致的。探測器3所接收到的光子是經(jīng)由不同路徑抵達(dá)的， 因此所攜帶的吸收信號大小各不相同。探測器3的響應(yīng)時(shí)間不足以分辨單個光子的獨(dú)立吸
收過程，因此最終探測到的光強(qiáng)I是一種平均效果，由公式= ln(/o//,)所得到的
σΝ
光程是一種表征所探測到的光子集體吸收行為的有效光程。有效吸收光程不是簡單的對各個光子吸收光程取平均值，對它的精確理論計(jì)算過程是一個復(fù)雜的過程，這里是采用標(biāo)準(zhǔn)物定標(biāo)的方法獲得的。先在多孔材料芯2內(nèi)充入不含氣體樣品的緩沖氣氮?dú)?，測得無吸收時(shí)的光強(qiáng)Itl;再將多孔材料芯2內(nèi)的氣體置換為具有已知濃度N的樣品氣體，測得此時(shí)經(jīng)過氣體吸收后的光強(qiáng)It，則根據(jù)公式
Lefr(Xi): ln(/° 7D可以獲得此位置探測器3所測量得到的光子吸收對應(yīng)的有效光程。 σΝ當(dāng)探測器3處于不同位置的時(shí)候，接收到的光子所經(jīng)歷的吸收路徑是不同的，相應(yīng)的有效吸收光程也是不同的。理論和實(shí)踐均表明，在逐步改變探測器3的位置的情況下， 所獲得的有效光程是按照確定規(guī)律變化的。以探測器3的初始位置為原點(diǎn)建立探測器位置的一維坐標(biāo)系，通過一維平移臺4不斷調(diào)整探測器3至不同的位置Xi,獲得相應(yīng)的有效光程 Leff (Xi)，通過二次多項(xiàng)式擬合獲得有效吸收光程Lrff(Xi)與探測器3位置X的關(guān)系式f (X) =Leff(x)。在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要通過調(diào)整探測器3的位置來調(diào)整有效吸收光程的大小。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式對實(shí)施方式六作進(jìn)一步說明，入射至氣體池I的激光光束與多孔材料芯2入射面的法線所成的角度Θ范圍為O 45度。
權(quán)利要求
1.用于激光吸收光譜技術(shù)的吸收光程延長的裝置，其特征在于，它包括氣體池(I)、多孔材料芯(2)、探測器(3)、一維平移臺(4)和放大器(5)，氣體池(I)內(nèi)設(shè)置有多孔材料芯(2)，激光光束入射至氣體池(I)，該激光光束穿過多孔材料芯(2)后入射至探測器(3)的光敏面，探測器(3)由一維平移臺(4)帶動沿探測器(3)的光敏面所在平面做一維移動，探測器(3)將探測到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并通過放大器(5)放大后輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述用于激光吸收光譜技術(shù)的吸收光程延長的裝置，其特征在于， 多孔材料芯(2)的組成物質(zhì)為氧化鋁、氧化鋯或氧化鈦中的一種或幾種，材料孔隙率大于 30%,材料孔平均直徑小于10 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述用于激光吸收光譜技術(shù)的吸收光程延長的裝置，其特征在于， 多孔材料芯(2)的形狀為長方體,該長方體的激光光束入射面的長度為a,寬度為b ;垂直于激光光束入射面的長方體的厚度為d，且滿足a > b > 3d。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述用于激光吸收光譜技術(shù)的吸收光程延長的裝置，其特征在于， 多孔材料芯(2)的形狀為圓柱體，該圓柱體的激光光束入射圓面的直徑為e，垂直于激光光束入射面的圓柱體的厚度為f，且滿足e > 3f。
5.基于權(quán)利要求I所述裝置的吸收光程延長的方法，其特征在于，吸收光程延長的方法為在一維平移臺(4)帶著探測器(3)移動的方向上建立一維坐標(biāo)系，該一維坐標(biāo)系的原點(diǎn)為探測器⑶初始位置，驅(qū)動一維平移臺⑷帶著探測器⑶自初始位置點(diǎn)開始移動了 η 個位置點(diǎn)，每個位置點(diǎn)的坐標(biāo)為Xi, i = 0,1,2, , η,其中初始位置點(diǎn)的坐標(biāo)Xtl = O, η為自然數(shù)，且η = 7 20，測量探測器(3)在第i個位置對應(yīng)的吸收光程為Lrff (Xi),根據(jù)η個位置點(diǎn)及其對應(yīng)吸收光程，通過二次多項(xiàng)式擬合獲得吸收光程Leff (Xi)與探測器(3)位置坐標(biāo)X的關(guān)系式f(x)=Leff (X)，進(jìn)而通過調(diào)整探測器(3)的位置來達(dá)到預(yù)期的吸收光程。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述用于激光吸收光譜技術(shù)的吸收光程延長的方法，其特征在于， 測量探測器⑶在第i個位置對應(yīng)的吸收光程Leff(Xi)的過程為步驟一、探測器(3)固定在該位置點(diǎn)，在氣體池(I)內(nèi)充入緩沖氣氮?dú)?，調(diào)整激光光束入射至氣體池(1)，放大器(5)將探測器(3)采集的光強(qiáng)信號放大后輸出，根據(jù)該放大后的信號計(jì)算獲得多孔材料芯(2)散射出的氮?dú)夤鈴?qiáng)度Ici ；步驟二、在氣體池(I)內(nèi)充入已知濃度的樣品氣體，調(diào)整激光光束入射至氣體池(1)， 放大器(5)將探測器(3)采集的光強(qiáng)信號放大后輸出，根據(jù)該放大后的信號計(jì)算獲得多孔材料芯(2)散射出的樣品光強(qiáng)度It ；步驟三、根據(jù)步驟一獲取的氮?dú)夤鈴?qiáng)度Itl和步驟二獲取的樣品光強(qiáng)度It按公式
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述用于激光吸收光譜技術(shù)的吸收光程延長的方法，其特征在于， 入射至氣體池(I)的激光光束與多孔材料芯(2)入射面的法線所成的角度Θ范圍為O 45度。
全文摘要
用于激光吸收光譜技術(shù)的吸收光程延長的裝置及方法，屬于氣體測量領(lǐng)域，本發(fā)明為解決現(xiàn)有的激光吸收光譜技術(shù)吸收光程延長方法所導(dǎo)致的氣體容器體積大、檢測響應(yīng)速度慢的問題。本發(fā)明裝置包括氣體池、多孔材料芯、探測器、一維平移臺和放大器，吸收光程延長方法為在一維平移臺帶著探測器移動的方向上建立一維坐標(biāo)系，該一維坐標(biāo)系的原點(diǎn)為探測器初始位置，驅(qū)動一維平移臺帶著探測器自初始位置點(diǎn)開始移動了n個位置點(diǎn)，每個位置點(diǎn)的坐標(biāo)為Xi，測量探測器在第i個位置對應(yīng)的吸收光程為Leff(Xi)，根據(jù)n個位置點(diǎn)及其對應(yīng)吸收光程，通過二次多項(xiàng)式擬合獲得吸收光程Leff(Xi)與探測器位置坐標(biāo)x的關(guān)系式f(x)＝Leff(x)，進(jìn)而通過調(diào)整探測器的位置來達(dá)到預(yù)期的吸收光程。
文檔編號G01N21/01GK102590092SQ201210058360
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月7日
發(fā)明者婁秀濤, 張治國, 瑞小川 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)