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专利号: 201610854083X
申请人: 曲阜师范大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种多组分气体稳定同位素实时在线监测光学系统,包括激光器模块,吸收池模块,温控箱和信号采集与处理模块:其特征在于:所述激光器模块由四台光纤输出激光器,激光控制器、函数发生器和波长计组成;还包括光纤分束器,光纤耦合法兰、装有光纤准直镜头的三维调整架;所述四台不同波长的激光器为可调谐窄线宽半导体激光器,用于输出激光到离轴多通池和波长计,四台激光器的波长要彼此避开所选待测气体的吸收线,还要防止其它气体的干扰;三维调整架对分束比大的激光分支进行光路调节;所述激光控制器用于对半导体激光器进行温度和电流控制;所述函数发生器采用锯齿波信号对激光器进行频率和电压扫描,使扫描区间能够涵盖待测气体稳定同位素的两条相邻吸收谱线;所述波长计用于同步实时监测激光器的输出波长,并及时反馈给信号处理系统对激光器波长及时进行校正;所述光纤分束器的分束比为99:1,用于把激光器输出的激光光束分成两部分,功率大的分支经过固定有准直镜头的三维调整架耦合到吸收池内对气体进行测量,功率小的分支耦合到波长计进行实时监测激光器的波长;所述吸收池模块主要有波纹管、透明聚四氟乙烯管、凹球面镜、氟化钙镜片、转接法兰、密封法兰、多维调整架、进出气阀门、探测器、固定底座和温压控制装置组成;所述波纹管、透明聚四氟乙烯管、凹球面镜、氟化钙镜片、转接法兰、密封法兰组装而成离轴多通池;所述离轴多通池用于容纳待测气体,同时使入射到多通池内的激光在多通池内来回反射以增加光程,提高对气体检测的灵敏度;所述多通池两端分别连接进出气阀门,用于连接外面气路;所述多维调整架与多通池安装有波纹管的一侧相连,用于调节多通池的长度和凹球面镜的角度;所述探测器包括前置放大器,装在多通池安装有透明聚四氟乙烯管的一端;所述固定底座用于固定安装有探测器的多通池;所述温压控制装置分为温度控制部分和压力控制部分,温度控制部分包括三个原装进口1/3B级裸露铂热电阻温度传感器、电加热带和纳米气凝胶毡和OMRON温控器,温度传感器紧贴于吸收池外壁的进气口端、中间和出气口端,加热带紧密包裹住多通池和温度传感器,加热带外用导热系数(<0.018 W/mK)很小的纳米气凝胶毡包裹封住,温度传感器和加热带与OMRON温控器连接对吸收池内气体的温度进行监测和控制,传感器对空气中温度变化的响应时间在

2s以内,控制精度可达±10mK;所述压力控制部分采用MKS压力控制器进行后级控制,其控制精度可达±5Pa;所述温控箱用于放置吸收池模块中除了OMRON温控器和MKS压力控制器的剩余部分,然后由纳米气凝胶毡包裹封死,包裹层的最外层用自粘高亮铝箔纸封严,以尽量减少多通池与外界的热交换和静电干扰; 所述OMRON温控器通过导线与温度传感器连接,MKS压力控制器通过管道与池内气体连接,这样能够确保多通池内气体温度和压强能够实现温控箱外实时监测、控制;所述信号采集与数据处理模块由采集卡和装有数据处理程序的计算机组成,主要包括以下两方面内容:(1)接入波长计的激光束用于同步测量激光激光器的波长,判断激光器的输出波长是否在气体同位素吸收线位置,根据判断结果通过数字锁频技术锁定激光器输出的波长,使其稳定在同位素吸收线的中心位置;(2)采集卡采集到的气体稳定同位素的吸收光谱信号输送到计算机,通过数据处理软件中的参数设置、噪声扣除、参考谱采集和线性回归的有序处理,最后直接读出目标气体稳定同位素丰度值。

2.根据权利1要求一种多波长离轴稳定同位素丰度在线监测系统,其特征在于离轴多通池由波纹管,透明聚四氟乙烯管、两块具有四个通光孔的凹球面镜、三个转接法兰、两个密封法兰、六块氟化钙镜片和一个多维调整架组成;其中,所述波纹管的一端和透明聚四氟乙烯管的一端通过转接法兰连接固定在一起;所述具有四个通光孔的凹球面镜固定在转接法兰上,分别与波纹管和透明聚四氟乙烯管的另一端连接;所述氟化钙镜片固定在密封法兰上与固定具有四个通光孔的凹球面镜的转接法兰连接固封,处于波纹管的一侧为入射端,透明聚四氟乙烯管的另一端为出射端;所述入射端固定于多维调整架上,用于调节凹球面镜的角度和离轴多通池的长度,使出射光能够精确地照射到探测器上,同时消除多通池内可能产生的干涉条纹对待测信号的影响。

3.根据权利1要求一种多波长离轴稳定同位素丰度在线监测系统,其特征在于激光器稳频部分将波长计自带的Labview数据读取程序与自行编写的Labview数据采集程序进行链接,通过波长计反馈的光电信号同时对四台激光器进行波长稳定处理,使激光器波长稳定在待测气体分子吸收线中心,能够长时间工作而波长不漂移,且精度达到0.001cm-1。

4.根据权利1要求一种多波长离轴稳定同位素丰度在线监测系统,其特征在于利用编程软件用来实现对激光器稳频和多种气体稳定同位素数据处理同时进行,使用方便快捷;

其中待测气体的每一个参数选择均采用下拉框的形式,数据处理所编程序能够自动寻峰,线性回归窗口宽度可以手动调节,多种同位丰度值能实时显示与记录,不需要后期数据处理。