一种基于红外吸收光谱的氧化亚氮检测装置[发明专利]

(10)申请公布号 CN 102269698 A
(43)申请公布日 2011.12.07C N 102269698 A
*CN102269698A*
(21)申请号 201110184032.8
(22)申请日 2011.07.04
G01N 21/35(2006.01)
(71)申请人中国科学院合肥物质科学研究院
地址230031 安徽省合肥市科学岛智能所
1130信箱
(72)发明人郑守国 李淼 石怀文 曾新华
张建 胡泽林 任玉刚 朱泽德
(74)专利代理机构合肥天明专利事务所 34115
代理人
吴娜
(54)发明名称
一种基于红外吸收光谱的氧化亚氮检测装置
(57)摘要
本发明涉及一种基于红外吸收光谱的氧化亚
氮检测装置，包括红外激光器，位于红外激光器发
出红外激光的一侧设置内部充有待检测气体的气
体吸收池，气体吸收池的另一侧设置光电探测器，
光电探测器的信号输出端通过放大器与微处理器
的信号输入端相连。

当气体吸收池内的N 2O 气体
受到红外激光照射时，N 2O 气体选择性地吸收某些
频率的光子，从而表现为透射光的强度变小；再
通过电路系统对输出激光信号的光电转换、电信
号放大，完成对N 2O 气体浓度信号的解析；最后通
过微处理器实现检测信号的相关处理和数据与图
形界面的可视化。

本发明设备简单、成本较低，无
需气相色谱仪等大型设备；操作方便，检测数据
结果可视化，无需专业人员操作。

(51)Int.Cl.
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请
权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页
1.一种基于红外吸收光谱的氧化亚氮检测装置，其特征在于：包括红外激光器（1），位于红外激光器（1）发出红外激光的一侧设置内部充有待检测气体的气体吸收池（2），气体吸收池（2）的另一侧设置光电探测器（3），光电探测器（3）的信号输出端通过放大器与微处理器（4）的信号输入端相连。

2.根据权利要求1所述的基于红外吸收光谱的氧化亚氮检测装置，其特征在于：所述的红外激光器（1）的输入端分别与稳流电路和温度调节电路相连，光电探测器（3）的信号输出端与光电转换电路的输入端相连，光电转换电路的输出端与前置放大电路的输入端相连，所述的放大器为锁相放大器，前置放大电路的输出端与锁相放大器的输入端相连，锁相放大器的输出端与微处理器（4）的信号输入端相连，调制电路的输入端分别与三角波发生电路和正弦波发生电路相连，调制电路的输出端分别与红外激光器（1）和锁相放大器的输入端相连。

3.根据权利要求1所述的基于红外吸收光谱的氧化亚氮检测装置，其特征在于：所述的微处理器（4）的信号输出端与液晶显示屏相连。

4.根据权利要求1所述的基于红外吸收光谱的氧化亚氮检测装置，其特征在于：所述的气体吸收池（2）包括玻璃管（5），玻璃管（5）的两端管口分别焊接石英玻璃片（6），玻璃管（5）的管身上分别开设有N
进气口（7）、待检测气体进气口（8）以及排气口（9），玻璃管（5）
2
通过支柱（10）固定在光学平台上，玻璃管（5）内靠近红外激光器（1）的一端设置准直透镜（11），玻璃管（5）内靠近光电探测器（3）的一端设置聚光透镜（12），红外激光器（1）通过光纤（16）与准直器（13）相连，准直器（13）由第一固定支座（14）安装在光学平台上，光纤探测器安装在第二固定支座（15）上，第二固定支座（15）固设在光学平台上。

5.根据权利要求2所述的基于红外吸收光谱的氧化亚氮检测装置，其特征在于：所述的光电探测器（3）采用PIN光电二极管，所述的红外激光器（1）的中心波长为4470nm。

6.根据权利要求4所述的基于红外吸收光谱的氧化亚氮检测装置，其特征在于：所述的红外激光器（1）、准直器（13）、气体吸收池（2）、聚光透镜（12）和光电探测器（3）位于同一中心水平轴线上。

一种基于红外吸收光谱的氧化亚氮检测装置[0001]
技术领域
[0002] 本发明涉及气体浓度检测领域，尤其是一种基于红外吸收光谱的氧化亚氮检测装
置。

[0003]
背景技术
[0004]
近年来，温室气体排放带来的环境问题日益引起人们的关注，《京都议定书》指出
的六种急需减排的温室气体包括二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物、全氟化碳、六氟化硫，其中N 2O 名列第三。

尽管大气中N 2O 的含量很少，约0.3～0.4uL/L ，但是N 2O 的增温效应极其明显，约为CO 2的150～200倍，而且N 2O 在大气中极其稳定，其平均寿命达114年，近几年大气中的N 2O 浓度以每年0.3%的速率增加，所以准确地检测与有效地控制N 2O 的排放，意义重大。

[0005] 目前N 2O 的主要检测手段为气相色谱法，即用气体作为移动相的色谱法。

气相色谱法检测的缺点在于：需要气相色谱仪等大型设备，成本昂贵；必须要在实验室进行，无法做到现场检测；检测过程复杂，需要由专业人员操作。

[0006] 发明内容
[0007]
本发明的目的在于提供一种成本较低、便于操作、能够实现现场检测的基于红外
吸收光谱的氧化亚氮检测装置。

[0008] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于红外吸收光谱的氧化亚氮检测装置，包括红外激光器，位于红外激光器发出红外激光的一侧设置内部充有待检测气体的气体吸收池，气体吸收池的另一侧设置光电探测器，光电探测器的信号输出端通过放大器与微处理器的信号输入端相连。

[0009] 由上述技术方案可知，本发明是根据N 2O 气体对红外辐射选择性吸收的性质进行的，当气体吸收池内的N 2O 气体受到红外激光器发出的红外激光照射时，N 2O 气体选择性地吸收某些频率的光子，从而表现为透射光的强度变小；再通过电路系统对输出激光信号的光电转换、电信号放大，完成对N 2O 气体浓度信号的解析；最后通过微处理器实现检测信号的相关处理和数据与图形界面的可视化。

本发明设备简单、成本较低，无需气相色谱仪等大型设备；操作方便，检测数据结果可视化，无需专业人员操作。

[0010] 附图说明
[0011] 图1是本发明的原理框图；
图2是本发明中气体吸收池、准直器和光电探测器的结构示意图。

[0012]
具体实施方式
[0013] 一种基于红外吸收光谱的氧化亚氮检测装置，包括红外激光器1，所述的红外激光器1的中心波长为4470nm，位于红外激光器1发出红外激光的一侧设置内部充有待检测气体的气体吸收池2，红外激光器1发出的红外激光传输到气体吸收池2内，气体吸收池2的另一侧设置光电探测器3，所述的光电探测器3采用PIN光电二极管，它具有线性好、灵敏度高、响应频带宽、响应速度快、动态特性好、性能稳定噪声小以及价格低廉等优点。

光电探测器3的信号输出端通过放大器与微处理器4的信号输入端相连，所述的微处理器4的信号输出端与液晶显示屏相连，如图1所示。

[0014] 以下结合图1作进一步的说明。

[0015] 所述的红外激光器1的输入端分别与稳流电路和温度调节电路相连，温度调节电路与稳流电路保证光源在外界干扰的情况下能够正常工作，输出的激光信号强度与中心频率相对稳定。

光电探测器3的信号输出端与光电转换电路的输入端相连，光电转换电路的输出端与前置放大电路的输入端相连，所述的放大器为锁相放大器，前置放大电路的输出端与锁相放大器的输入端相连，锁相放大器的输出端与微处理器4的信号输入端相连。

调制电路的输入端分别与三角波发生电路和正弦波发生电路相连，调制电路的输出端分别与红外激光器1和锁相放大器的输入端相连，正弦波发生电路调制红外激光器输出光信号的幅度，通过锁相放大器实现谐波检测，三角波发生电路调制红外激光器输出光信号的频率，实现激光中心波长的微调。

[0016] 本发明采用SR830双通道数字锁相放大器，它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频或者倍频、同相的噪声分量有响应，因此，能大幅度抑制系统噪声，提高信号的信噪比。

[0017] 所述微处理器4是基于ARM处理器开发的，ARM处理器自带有AD转换和内存管理单元，可以移植Linux操作系统和加载AD驱动程序，为气体浓度变化值在设备操作界面上显示处理提供支持。

氧化亚氮浓度检测应用程序根据AD转化后的数字信号和建立的标准化氧化亚氮浓度变化曲线，把氧化亚氮浓度值显示在设备的液晶显示屏上，供用户读取。

使用串口转USB线，将设备的信息传送到电脑上，实现电脑与设备的通信。

[0018] 由于氧化亚氮吸收的激光信号变化量ΔI与光源输出信号以及整个系统中的噪声相比较极其微弱，即输出信号有超低信噪比，为了有效地将有用信号提取与放大，本发明引入了锁相放大电路：首先设计前置放大电路，对光电探测器3输出的信号预处理进行初步放大；其次设计调制电路，该电路的输出分为两部分，一部分用来调制激光光源使之输出交流信号，另一部分作为锁相放大器的参考信号；最后将前置放大电路输出的含有噪声的信号作为锁相放大器的输入信号，调制信号作为参考信号，锁相放大器将与参考信号同频率的有用信号提取出来。

[0019] 用低频锯齿波、高频正弦波两个信号叠加作为激励，其一是低频的锯齿信号，它来自于ARM控制的DA输出；另一个是高频的正弦波调制信号，它是由ARM输出方波经整形后得到。

这两个调制信号都是电压信号，它们相加后送入红外激光器1调制信号输入端，从而
实现对分布反馈式半导体激光器的电流控制。

其中低频的锯齿波信号用来改变红外激光器1输出波长的中心位置，而高频的正弦信号用来调制激光输出幅度，实现锁相放大器的谐波检测。

[0020] 如图2所示，所述的气体吸收池2包括玻璃管5，玻璃管5的两端管口分别焊接石英玻璃片6，玻璃管5的管身上分别开设有N 2进气口7、待检测气体进气口8以及排气口9，N 2进气口7、待检测气体进气口8以及排气口9可以快速实现气体的进/出以及简单的配比。

玻璃管5通过支柱10固定在光学平台上，减小了由于机械抖动带来的系统噪声。

玻璃管5内靠近红外激光器1的一端设置准直透镜11，玻璃管5内靠近光电探测器3的一端设置聚光透镜12，红外激光器1通过光纤16与准直器13相连，准直器13由第一固定支座14安装在光学平台上，光纤探测器安装在第二固定支座15上，第二固定支座15固设在光学平台上，减小了由于机械抖动带来的系统噪声。

所述的红外激光器1、准直器13、气体吸收池
2、聚光透镜12和光电探测器3位于同一中心水平轴线上。

气体吸收池2采用玻璃材料，制作方便、成本低廉，且在测试过程中可以看到气体吸收池2的内部情况，易于控制。

[0021] 在检测时，先关闭待检测气体进气口8，打开N 2进气口7与排气口9，缓慢通高纯N 2两分钟，排除气体吸收池内干扰气体；再关闭N 2进气口7，打开待检测气体进气口8与排气口9，让混有N 2O 气体的样品气体经预处理后缓慢通过待检测气体进气口8进入气体吸收池，均匀分布于气室1内部，关闭进气口2与出气口4；
红外激光器1上电，红外激光器1发出的红外激光经光纤16传输、准直器13矫正后变为平行光进入气体吸收池2，根据Lambert-Beer 定律，由于气体吸收池2中的氧化亚氮气体的吸收作用，红外激光强度减弱；在气体吸收池2的另一端，红外激光经聚光透镜12到达光电探测器3，光电探测器3将光信号的变化转化成电信号传输至光电转换电路；
从液晶显示屏上可以读出测量的N 2O 气体浓度值；关闭待检测气体进气口8，打开N 2进气口7与排气口9，缓慢通高纯N 2一分钟，确保气体吸收池2内的气体排除干净，最后关闭待检测气体进气口8、N 2进气口7和排气口9，检测结束。

[0022] 总之，本发明具有以下优点：无需采用气相色谱仪、色谱站等大型设备，降低了成本，在大批量制作的情况下，成本将进一步降低；加入了稳流电路、温度调节电路等电路模块，激光信号更稳定；引入了调制电路与锁相放大器，提高了电路抑制噪声的能力，实现了超低信噪比的微弱信号放大，为痕量氧化亚氮的检测提供保障；充分利用目前光纤通信系统中成熟的技术和产品，通过光纤低损耗传输，实现在线遥测，而且敏感探头部分本质安全；具有测量范围广、选择性好等特点，能够检测浓度在0～100%范围内的氧化亚氮气体，且不容易受其他气体的干扰；具有高灵敏度、快速测量等特点，能够快速准确反应出氧化亚氮含量的变化，可以实现氧化亚氮含量的连续在线监测。

图
1
图2。