本實(shí)用新型涉及甲烷濃度檢測(cè)裝置，尤其涉及一種基于中紅外差分吸收的甲烷濃度檢測(cè)裝置。

背景技術(shù)：

甲烷是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的碳?xì)浠衔?，無(wú)色無(wú)味，廣泛存在于天然氣、沼氣、煤礦坑道氣之中，是一種優(yōu)質(zhì)的氣體燃料，也是制造合成氣和化工產(chǎn)品的重要原料。甲烷可燃性好，濃度較高時(shí)，遇明火會(huì)引發(fā)爆炸，是許多煤礦爆炸事故中的罪魁禍?zhǔn)?。甲烷也是產(chǎn)生大氣溫室效應(yīng)的主要?dú)怏w之一，其對(duì)溫室效應(yīng)的作用，是同等濃度二氧化碳的25倍。如今，大氣中的甲烷濃度在不斷的增加，300年前大氣中甲烷濃度約為700ppb，然而現(xiàn)在已接近1.8ppm，直接影響到人類未來(lái)的健康生活。因此，不管是在工業(yè)監(jiān)控還是在環(huán)境檢測(cè)中，對(duì)甲烷濃度的檢測(cè)都必不可少。

目前，傳統(tǒng)的甲烷濃度檢測(cè)裝置有：熱催化檢測(cè)裝置、熱導(dǎo)檢測(cè)裝置等。熱催化裝置是利用催化物能使低濃度甲烷在低溫度下持續(xù)燃燒(氧化)，不同濃度的甲烷在燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量不同，通過(guò)溫度變化來(lái)測(cè)量甲烷濃度。這種檢測(cè)裝置費(fèi)時(shí)費(fèi)力，靈敏度低，而且在高濃度甲烷中容易“中毒”而產(chǎn)生失靈，給出致命的錯(cuò)誤信息，甚至?xí)?duì)安檢人員產(chǎn)生生命威脅。熱導(dǎo)檢測(cè)裝置利用甲烷與空氣之間的熱導(dǎo)率之差來(lái)實(shí)現(xiàn)甲烷氣體濃度檢測(cè)，將甲烷送入帶有熱敏元件的氣室，對(duì)熱敏元件進(jìn)行加熱，其阻值會(huì)降低，通過(guò)惠更斯電橋測(cè)量這一阻值變化，從而得到被測(cè)甲烷濃度值。這種裝置安全性較高，但是其靈敏度低，穩(wěn)定性差，檢測(cè)低濃度甲烷時(shí)輸出信號(hào)小，且易受水蒸氣和二氧化碳等氣體的影響。

針對(duì)這些問(wèn)題，近年來(lái)出現(xiàn)了一些利用紅外吸收法檢測(cè)甲烷濃度的裝置。紅外吸收法的基本原理是：不同氣體對(duì)紅外輻射有著不同的吸收特性，氣體濃度不同其吸收光強(qiáng)也不同。例如我國(guó)專利CN201320394336.1公開(kāi)了一種紅外線檢測(cè)甲烷濃度的裝置，包括近紅外發(fā)光二極管、光準(zhǔn)直鏡、分光鏡、待測(cè)氣室、 探測(cè)器、單片機(jī)、顯示電路和報(bào)警電路，單片機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路與近紅外發(fā)光二極管連接，近紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光束經(jīng)光準(zhǔn)直器后入射到待測(cè)氣室內(nèi)，近紅外光束穿過(guò)所述待測(cè)氣室后照射到分光鏡上，分成兩道分光束分別入射到探測(cè)器的測(cè)量通道和參考通道內(nèi)。該裝置采用了近紅外光作為光源，單波長(zhǎng)雙光路的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷濃度的測(cè)量，成本低，靈敏度相對(duì)較高。但該裝置的缺點(diǎn)是甲烷在近紅外區(qū)的吸收強(qiáng)度遠(yuǎn)低于中紅外區(qū)，單波長(zhǎng)雙光路的差分吸收光學(xué)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)對(duì)電路的設(shè)計(jì)要求比較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于中紅外差分吸收的甲烷濃度檢測(cè)裝置，以解決甲烷吸收強(qiáng)度不高并且裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了一種基于中紅外差分吸收的甲烷濃度檢測(cè)裝置，包括依次連接的中紅外光源單元、差分吸收單元以及信號(hào)接收與處理單元，其中：所述中紅外光源單元包括并聯(lián)的第一光路和第二光路、與所述第一光路和所述第二光路相連的波分復(fù)用器、連接于所述波分復(fù)用器之后的物鏡、與所述物鏡相連并設(shè)置于溫控爐中的摻氧化鎂鈮酸鋰MgO:PPLN晶體、連接于所述摻氧化鎂鈮酸鋰MgO:PPLN晶體之后的氟化鈣CaF₂透鏡，其中，所述第一光路包括依次連接的第一半導(dǎo)體激光器、摻鐿光纖放大器以及第一偏振控制器，所述第二光路包括依次連接的第二半導(dǎo)體激光器、摻餌光纖放大器以及第二偏振控制器；所述差分吸收單元包括雙軸調(diào)節(jié)臺(tái)、位于所述雙軸調(diào)節(jié)臺(tái)上的第一氣室通道和第二氣室通道、位于所述雙軸調(diào)節(jié)臺(tái)之后的待測(cè)氣體吸收池，其中，所述雙軸調(diào)節(jié)臺(tái)可調(diào)節(jié)所述第一氣室通道或者所述第二氣室通道的位置，以使得所述中紅外光源單元產(chǎn)生的中紅外光線與所述第一氣室通道或者第二氣室通道以及所述待測(cè)氣體吸收池位于同一軸線上；所述信號(hào)接收與處理單元包括依次連接的光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡以及計(jì)算機(jī)，其中，所述光電探測(cè)器用于將所述差分吸收單元輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

進(jìn)一步地，在所述中紅外光源單元中還包括鍺Ge濾波片，所述鍺Ge濾波片位于所述氟化鈣CaF₂透鏡和所述雙軸調(diào)節(jié)臺(tái)之間。

進(jìn)一步地，在所述信號(hào)接收與處理單元中還包括鎖相放大器，所述鎖相放大器位于所述光電探測(cè)器和所述數(shù)據(jù)采集卡之間。

進(jìn)一步地，所述第一半導(dǎo)體激光器為可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，其調(diào)諧范圍為大于等于1030nm并且小于等于1070nm。

進(jìn)一步地，所述第二半導(dǎo)體激光器的中心波長(zhǎng)為1550nm。

進(jìn)一步地，所述第一氣室通道中填充有空氣，所述第二氣室通道中填充有濃度為25％的甲烷氣體。

進(jìn)一步地，所述待測(cè)氣體吸收池為懷特型White多次反射吸收池。

由以上本實(shí)用新型的技術(shù)方案可見(jiàn)，本實(shí)用新型采用了基于差頻原理產(chǎn)生的中紅外光源，解決了傳統(tǒng)上近紅外區(qū)甲烷吸收強(qiáng)度遠(yuǎn)低于中紅外區(qū)的問(wèn)題，從而能夠提高甲烷濃度檢測(cè)的靈敏度。此外，本實(shí)用新型進(jìn)一步的采用了一種簡(jiǎn)單便捷，易于實(shí)現(xiàn)的新型差分吸收光學(xué)裝置，能夠有效的解決環(huán)境對(duì)氣體吸收池的干擾，以及光源功率波動(dòng)的影響，提高了甲烷濃度檢測(cè)的穩(wěn)定性。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型中基于中紅外差分吸收的甲烷濃度檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)圖；圖中各標(biāo)號(hào)含義如下：

1、第一半導(dǎo)體激光器；2、第二半導(dǎo)體激光器；3、第一摻鐿光纖放大器；4、第二摻鉺光纖放大器；5、第一偏振控制器；6、第二偏振控制器；7、波分復(fù)用器；8、物鏡；9、溫控爐；10、MgO:PPLN晶體；11、CaF₂透鏡；12、Ge濾波片；13、第一氣室通道；14、第二氣室通道；15、雙軸調(diào)節(jié)臺(tái)；16、待測(cè)氣體吸收池；17、光電探測(cè)器；18、鎖相放大器；19、數(shù)據(jù)采集卡；20、計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本申請(qǐng)中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本申請(qǐng)實(shí)施方式中的附圖，對(duì)本申請(qǐng)實(shí)施方式中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描 述，顯然，所描述的實(shí)施方式僅僅是本申請(qǐng)一部分實(shí)施方式，而不是全部的實(shí)施方式?；诒旧暾?qǐng)中的實(shí)施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施方式，都應(yīng)當(dāng)屬于本申請(qǐng)保護(hù)的范圍。

圖1為本實(shí)用新型中基于中紅外差分吸收的甲烷濃度檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，所述檢測(cè)裝置，包括依次連接的中紅外光源單元、差分吸收單元以及信號(hào)接收與處理單元，其中，所述中紅外光源單元包括并聯(lián)的第一光路和第二光路、與所述第一光路和所述第二光路相連的波分復(fù)用器7、連接于所述波分復(fù)用器7之后的物鏡8、與所述物鏡8相連并設(shè)置于溫控爐9中的摻氧化鎂鈮酸鋰MgO:PPLN晶體10、連接于所述摻氧化鎂鈮酸鋰MgO:PPLN晶體10之后的氟化鈣CaF₂透鏡11，其中，所述第一光路包括依次連接的第一半導(dǎo)體激光器1、摻鐿光纖放大器3以及第一偏振控制器5，所述第二光路包括依次連接的第二半導(dǎo)體激光器2、摻餌光纖放大器4以及第二偏振控制器6。

所述差分吸收單元包括雙軸調(diào)節(jié)臺(tái)15、位于所述雙軸調(diào)節(jié)臺(tái)15上的第一氣室通道13和第二氣室通道14、位于所述雙軸調(diào)節(jié)臺(tái)15之后的待測(cè)氣體吸收池16，其中，所述雙軸調(diào)節(jié)臺(tái)15可調(diào)節(jié)所述第一氣室通道13或者所述第二氣室通道14的位置，以使得所述中紅外光源單元產(chǎn)生的中紅外光線與所述第一氣室通道13或者第二氣室通道14以及所述待測(cè)氣體吸收池16位于同一軸線上。

所述信號(hào)接收與處理單元包括依次連接的光電探測(cè)器17、數(shù)據(jù)采集卡19以及計(jì)算機(jī)20，其中，所述光電探測(cè)器17用于將所述差分吸收單元輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

在本實(shí)用新型的一優(yōu)選實(shí)施方式中，在所述中紅外光源單元中還包括鍺Ge濾波片12，所述鍺Ge濾波片12位于所述氟化鈣CaF₂透鏡11和所述雙軸調(diào)節(jié)臺(tái)15之間，以去除透過(guò)所述氟化鈣CaF₂透鏡11的光線中的近紅外光，以獲取較純凈的中紅外光。

在本實(shí)用新型的一優(yōu)選實(shí)施方式中，在所述信號(hào)接收與處理單元中還包括鎖相放大器18，所述鎖相放大器18位于所述光電探測(cè)器17和所述數(shù)據(jù)采集卡 19之間，以放大所述光電探測(cè)器17轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)。

在本實(shí)用新型的一優(yōu)選實(shí)施方式中，所述第一半導(dǎo)體激光器為可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，其調(diào)諧范圍為大于等于1030nm并且小于等于1070nm，所述第二半導(dǎo)體激光器的中心波長(zhǎng)為1550nm。所述第一半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光通過(guò)所述摻鐿光纖放大器后以及所述第二半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光通過(guò)所述摻餌光纖放大器放大后，可以由各自光路中的偏振控制器調(diào)節(jié)偏振態(tài)之后，由所述波分復(fù)用器7合為一束光。合成的一束光可以通過(guò)物鏡8聚焦到MgO:PPLN晶體10中。所述溫控爐9調(diào)節(jié)所述MgO:PPLN晶體10周邊的環(huán)境溫度后，所述MgO:PPLN晶體10可以產(chǎn)生中紅外光線。

在本實(shí)用新型的一優(yōu)選實(shí)施方式中，所述第一氣室通道13中填充有空氣，所述第二氣室通道14中填充有濃度為25％的甲烷氣體。

在本實(shí)用新型的一優(yōu)選實(shí)施方式中，所述待測(cè)氣體吸收池16為懷特型White多次反射吸收池。所述待測(cè)氣體吸收池16有兩種狀態(tài)，一種是氣體吸收池內(nèi)無(wú)甲烷，另一種是氣體吸收池內(nèi)充入待測(cè)濃度的甲烷。

下面將介紹本實(shí)用新型進(jìn)行甲烷濃度檢測(cè)的原理。

根據(jù)Hitran光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，甲烷分子有4個(gè)基頻振動(dòng)帶，分別對(duì)應(yīng)四個(gè)特征吸收波長(zhǎng)：3443nm，6522nm，3311nm，7658nm。當(dāng)甲烷分子基頻振動(dòng)帶處于3311nm時(shí)，中紅外單元的輸出波長(zhǎng)能夠定位到其附近。調(diào)諧第一半導(dǎo)體激光器1的輸出波長(zhǎng)至1055.76nm，兩束激光分別通過(guò)摻鐿光纖放大器3和摻餌光纖放大器4放大功率，經(jīng)偏振控制器5、6后，利用波分復(fù)合器7進(jìn)行合束，通過(guò)物鏡8聚焦到MgO:PPLN晶體10上，用溫控爐9控制溫度，差頻產(chǎn)生中紅外光源。產(chǎn)生的中紅外光通過(guò)CaF₂透鏡11收集，近紅外光通過(guò)Ge濾波片12去除，輸出的中紅外波長(zhǎng)在3311nm附近。

基于差頻原理產(chǎn)生的中紅外光，先通過(guò)已充入普通空氣的第一氣室通道13，再通過(guò)無(wú)甲烷的待測(cè)氣體吸收池16，光電探測(cè)器17將探測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸?shù)芥i相放大器18，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡19采集后，輸入到計(jì)算機(jī)20，探 測(cè)到的光強(qiáng)I_N0為入射光通過(guò)被測(cè)環(huán)境的吸收光強(qiáng)；利用雙軸調(diào)節(jié)臺(tái)15進(jìn)行調(diào)節(jié)，將充入濃度25％甲烷的第二氣室通道14的中心對(duì)準(zhǔn)中紅外光，再通過(guò)無(wú)甲烷的待測(cè)氣體吸收池16，則探測(cè)到的光強(qiáng)I_M0為經(jīng)過(guò)高濃度甲烷和吸收池空氣的光強(qiáng)；當(dāng)待測(cè)氣體吸收池16充入待測(cè)濃度的甲烷時(shí)，中紅外光經(jīng)充入高濃度甲烷的第二氣室通道14，再通過(guò)待測(cè)氣體吸收池16后，探測(cè)到的光強(qiáng)I_MX為經(jīng)過(guò)高濃度甲烷和待測(cè)濃度甲烷后的透射光強(qiáng)；利用雙軸調(diào)節(jié)臺(tái)15進(jìn)行調(diào)節(jié)，將充入普通空氣的第一氣室通道13的中心對(duì)準(zhǔn)中紅外光，再通過(guò)充入待測(cè)濃度甲烷的待測(cè)氣體吸收池16，探測(cè)到的光強(qiáng)I_NX為經(jīng)普通空氣和待測(cè)濃度甲烷后的光強(qiáng)。

所述的通過(guò)第二氣室通道14和待測(cè)氣體吸收池16探測(cè)到的光強(qiáng)I_M0和I_MX，由于在第二氣室通道14中充入了高濃度甲烷，甲烷在3311nm特征吸收波長(zhǎng)處的光能基本被完全吸收，所以I_M0≈I_MX，其相對(duì)誤差不大于1％。若兩種相差較大，應(yīng)加大第二氣室通道14中的甲烷濃度，來(lái)保證裝置檢測(cè)的精確度。

根據(jù)朗伯-比爾定律，若已知透射光強(qiáng)I_X，入射光強(qiáng)I₀，氣體吸收池光路長(zhǎng)度L，以及甲烷的吸收系數(shù)α，被測(cè)甲烷濃度C(CH₄)可以表示為：

$C\left({\mathrm{CH}}_4\right)=-\frac{1}{\mathrm{\α}L}\ln \frac{I_X}{I_0}$

基于以上裝置及朗伯-比爾定律，甲烷濃度測(cè)量具體流程如下：

(1)先將已知濃度的甲烷充入待測(cè)氣體吸收池16，分別測(cè)出上述光強(qiáng)I_N0，I_M0，I_NX，I_MX。

(2)計(jì)算出I_N0-I_M0，其代表著通過(guò)被測(cè)空氣環(huán)境的光強(qiáng)I_N0與通過(guò)高濃度甲烷及待測(cè)氣體吸收池16的空氣后的光強(qiáng)I_M0的差，用其來(lái)代替入射光強(qiáng)I₀更加的精準(zhǔn)；計(jì)算出I_NX-I_MX，其代表著通過(guò)普通空氣及待測(cè)濃度甲烷后的光強(qiáng)I_NX與通過(guò)高濃度甲烷及待測(cè)濃度甲烷后的光強(qiáng)I_MX的差，用其來(lái)代替透射光強(qiáng)I_X。根據(jù)朗伯-比爾定律：則可以寫(xiě)成 由于充入的是已知濃度的甲烷，氣體吸收池光路長(zhǎng)度L也可知，則可以得出甲烷在此中心波長(zhǎng)的吸收系數(shù)α。

(3)在待測(cè)氣體吸收池16中充入待測(cè)濃度的甲烷氣體，再次分別測(cè)出光強(qiáng)I_N0，I_M0，I_NX，I_MX，計(jì)算出I_N0-I_M0，I_NX-I_MX。

由公式可知，α已求出，待測(cè)氣體吸收池16的光路長(zhǎng)度L已知，I_N0-I_M0，I_NX-I_MX也已求出，則可計(jì)算出待測(cè)甲烷氣體的濃度C(CH₄)。

由上可見(jiàn)，本實(shí)用新型具有以下有益效果：

1、本實(shí)用新型采用了基于差頻原理產(chǎn)生的中紅外光源，解決了傳統(tǒng)上近紅外區(qū)甲烷吸收強(qiáng)度遠(yuǎn)低于中紅外區(qū)的問(wèn)題，從而能夠提高甲烷濃度檢測(cè)的靈敏度。

2、本實(shí)用新型進(jìn)一步的采用了一種簡(jiǎn)單便捷，易于實(shí)現(xiàn)的新型差分吸收光學(xué)裝置，利用朗伯-比爾定律和差分比例算法，能夠有效的解決環(huán)境對(duì)氣體吸收池的干擾，以及光源功率波動(dòng)的影響，提高了甲烷濃度檢測(cè)的穩(wěn)定性。

上面對(duì)本申請(qǐng)的各種實(shí)施方式的描述以描述的目的提供給本領(lǐng)域技術(shù)人員。其不旨在是窮舉的、或者不旨在將本實(shí)用新型限制于單個(gè)公開(kāi)的實(shí)施方式。如上所述，本申請(qǐng)的各種替代和變化對(duì)于上述技術(shù)所屬領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見(jiàn)的。因此，雖然已經(jīng)具體討論了一些另選的實(shí)施方式，但是其它實(shí)施方式將是顯而易見(jiàn)的，或者本領(lǐng)域技術(shù)人員相對(duì)容易得出。本申請(qǐng)旨在包括在此已經(jīng)討論過(guò)的本實(shí)用新型的所有替代、修改、和變化，以及落在上述申請(qǐng)的精神和范圍內(nèi)的其它實(shí)施方式。

本說(shuō)明書(shū)中的各個(gè)實(shí)施方式均采用遞進(jìn)的方式描述，各個(gè)實(shí)施方式之間相同相似的部分互相參見(jiàn)即可，每個(gè)實(shí)施方式重點(diǎn)說(shuō)明的都是與其他實(shí)施方式的不同之處。

雖然通過(guò)實(shí)施方式描繪了本申請(qǐng)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員知道，本申請(qǐng)有許 多變形和變化而不脫離本申請(qǐng)的精神，希望所附的權(quán)利要求包括這些變形和變化而不脫離本申請(qǐng)的精神。