顺磁性气体分子浓度检测系统和方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及红外检测技术领域，尤其涉及一种
顺磁性气体分子浓度检测系统和方法。
背景技术
[0002] 顺磁性气体分子如一
氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)等在环境保护、大
气化学分析、医疗诊断和燃烧分析等方面起着重要的作用。排放进入大气的NO和NO2是光化学烟雾、酸雨及雾霾形成的主要原因，在医学中通过检测人体呼出气中的NO浓度，可以对气道
炎症和
肺部
疾病进行诊断。因此，快速准确的对大气、人体呼出气等进行顺磁性分子检测具有重要的意义。但是在上述测试环境中，顺磁性气体的含量非常低，对检测系统的灵敏度提出了较高的要求。
[0003] 目前，
现有技术中的检测方法主要包括化学法和法拉第调制
光谱技术。国内外对痕量顺磁性气体分子的检测主要以气相色谱法、
化学发光法等化学方法为主，该方法响应速度较慢。法拉第调制光谱技术具有响应快、灵敏度高、和不受
水汽、二氧化
碳等非顺磁性分子光谱干扰等特点，是一种适合应用于顺磁性分子浓度在线检测的光谱技术。但是该技术在一些需要超高灵敏探测的应用领域，如大气化学分析、疾病诊断等，其探测水平还不能满足需要。为了进一步提高法拉第调制光谱技术的灵敏度，降低检测下限，研究人员进行了大量的工作。但是当接近散粒噪声极限之后，性能很难取得较大改进。因此，为了提高法拉第调制光谱技术的灵敏度需要将研究方向从降低噪声转移到增强
信号上。
[0004] 由于法拉第旋转
角在多次穿过同一样品后是累积的，因此实现信号增强最有效的方法是增加光与气体分子的相互作用长度。
发明内容
[0005] 本发明针对现有法拉第调制光谱技术的灵敏度不足，提供了一种顺磁性气体分子浓度检测系统及方法，以提高顺磁性气体分子的检测灵敏度。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
[0007] 本发明的一方面提供了一种顺磁性气体分子浓度检测系统，其特征在于，包括：
控制器、
激光器驱动器、光学单元、电学测量单元、反馈
锁频单元和腔长锁定单元；
[0008] 所述的控制器，用于产生激光调制信号和
磁场调制信号；
[0009] 所述的光学单元包括
谐振腔，所述光学单元的第一输入端与所述的激光器驱动器的输出端
电路连接，用于将气体分子浓度信息转化为腔
透射光的偏振信息；
[0010] 所述的电学测量单元包括检偏器、第一光电探测器、锁相
放大器、第一功率分束器和螺旋线圈驱动器，所述光学单元的谐振腔透射光耦合至所述检偏器中并被第一光电探测器探测，得到可反映腔透射光偏振信息的
电信号，第一光电探测器与
锁相放大器电路连接，所述的第一功率分束器接收所述控制器产生的磁场调制信号，分别与所述的锁相放大器和螺旋线圈驱动器电路连接，所述的螺旋线圈驱动器电路连接至所述光学单元的第二输入端，用于在谐振腔内产生交变磁场；所述的锁相放大器用于将得到的电信号与磁场调制信号进行相关运算，从中提取反映气体浓度信息的谐波信号；
[0011] 所述的反馈锁频单元包括顺序电路连接的第二光电探测器、高通
滤波器、乘法器、第一
低通滤波器和第一PID控制器，所述的第二光电探测器与所述光学单元的第一输出端光耦合连接，用于接收来自谐振腔的反射光，通过所述的第二光电探测器将腔反射
光信号转换为电信号，通过
高通滤波器对电信号进行滤波；高通滤波器的输出端与乘法器的第一输入端电路连接，乘法器的第二输入端与所述控制器电路连接，来自高通滤波器的信号与来自控制器的调制电信号进行乘法运算得到误差信号，乘法器的第一输出端电路连接至第一低通滤波器，然后与第一PID控制器的输入端电路连接；第一PID控制器产生
控制信号输入至激光器驱动器，用于调整激光器驱动
电流，实现激光
频率与谐振腔频率的锁定；
[0012] 所述的腔长锁定单元包括通过乘法器的第二输出端顺序电路连接的第二低通滤波器、第二PID控制器和压电陶瓷驱动器，并连接至所述的光学单元的谐振腔，所述的第二PID控制器产生控制信号输入至压电陶瓷驱动器用于通过压电陶瓷驱动器实现对所述谐振腔的腔长锁定。
[0013] 优选地，光学单元还包括顺序光耦合连接的激光器、光隔离器、偏振分光镜、模式匹配透镜和起偏器；
[0014] 所述的激光器，用于作为所述光学单元的第一输入端，用于在所述激光器驱动器的驱动下发射激光；
[0015] 所述的光隔离器，用于阻止反射光进入所述激光器；
[0016] 所述的偏振分光镜，用于作为所述光学单元的第一输出端，引导来自所述光隔离器的激光进入模式匹配透镜和来自谐振腔的反射光进入第二光电探测器；
[0017] 所述的模式匹配透镜，用于实现激光与谐振腔之间的模式匹配；
[0018] 所述的起偏器，与所述的谐振腔光耦合连接，用于将激光转变为线偏振光。
[0019] 优选地，谐振腔包括：第一平凹高反镜、第二平凹高反镜、压电陶瓷、螺旋线圈、第一窗镜、第二窗镜、进气口和出气口；
[0020] 所述的第一平凹高反镜和第二平凹高反镜，用于待测气体经过进气口进入谐振腔中时，进入谐振腔的激光在所述第一平凹高反镜和第二平凹高反镜之间来回反射；
[0021] 所述的压电陶瓷，用于固定所述第一平凹高反镜，所述压电陶瓷电路连接所述腔长锁定单元的压电陶瓷驱动器，通过调节所述压电陶瓷对谐振腔的腔长进行锁定；
[0022] 所述螺旋线圈，用于作为光学单元的第二输入端，产生交变磁场；
[0023] 所述第一窗镜和第二窗镜，用于对所述谐振腔进行密封；
[0024] 所述进气口和出气口，用于对待检测气体进行吸入和排出。
[0026] 优选地，微控制器采用
数字信号处理芯片TMS320F28335。
[0027] 优选地，系统还包括第二功率分束器，所述第二功率分束器与所述控制器电路连接，用于将控制器产生的正弦调制信号经过第二功率分束器后分成两路，一路输入至激光器驱动器产生激光器频率调制信号，另一路作为参考信号输入至乘法器的第二输入端。
[0028] 优选地，控制器输出的激光调制信号频率为100MHz～1GHz，磁场调制信号频率为1kHz～10kHz。
[0029] 优选地，激光器为带间级联激光器。
[0030] 本发明的另一方面提供了一种检测顺磁性气体分子浓度的方法，包括以下步骤：
[0031] 1)将确定浓度的顺磁性气体通入谐振腔，设定控制器的激光器
温度和驱动电流，使激光器发光
波长位于待测气体吸
收线上，依次启动激光器、第一光电探测器、第二光电探测器；
[0032] 2)通过控制器产生频率为100MHz～1GHz的激光调制信号，并将其分成两路，一路输入激光器驱动器的高频调制电路来调制激光频率，另一条路作为参考信号经过移相后输入乘法器，与来自谐振腔的反射光信号混频；
[0033] 3)设定第一PID控制器的比例、积分和微分系数，启动第一PID控制器，锁定激光器频率；
[0034] 4)设定第二PID控制器的比例、积分和微分系数,启动第二PID控制器和压电陶瓷驱动器，锁定谐振腔的腔长；
[0035] 5)通过控制器设定磁场调制参数，启动螺旋线圈驱动器；设定锁相放大器参数，启动锁相放大器，通过锁相放大器采集一次谐波幅值并存储，设定采集时间，到达采集时间后计算一次谐波平均值，并排空所述顺磁性气体；
[0036] 6)选取一定范围浓度的所述顺磁性气体，分别通入所述谐振腔，并通过上述步骤5)得到对应浓度得到的谐波平均值，根据所述顺磁性气体的浓度及对应的谐波平均值作标定曲线；
[0037] 7)参数不变的条件下，将待测顺磁性气体通入所述谐振腔，通过上述步骤5)得到对应的平均值，根据所述的标定曲线得到所述待测顺磁性气体的浓度。
[0038] 由上述本发明的顺磁性气体分子浓度检测系统及方法提供的技术方案可以看出，本发明通过将腔增强技术与法拉第调制光谱技术相结合，通过激光在谐振腔内的多次反射增加了光与气体分子的相互作用长度，从而提高了法拉第调制光谱技术的灵敏度；采用了电调制PDH(Pound-Drever-Hall)频率锁定技术，通过微控制器控制激光器驱动器产生高频调制电信号驱动激光器，实现对激光器频率的调制，与光调制相比省去了昂贵的电光
调制器，系统结构更加简单、体积更小便于集成；通过腔长反馈锁定回路实现了对激光器频率和谐振腔腔长的同时锁定，提高了系统长期工作
稳定性和抗干扰能
力。
[0039] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0040] 为了更清楚地说明本发明
实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0041] 图1为本发明实施例提供的一种顺磁性气体分子浓度检测系统示意图；
[0042] 图2为本发明实施例提供的顺磁性气体分子浓度检测系统示意图。
[0043] 附图标记说明：
[0044] 1激光器 2光隔离器 3偏振分光镜 4模式匹配透镜 5起偏器6第一平凹高反镜 7第二平凹高反镜 8螺旋线圈 9第一窗镜 10第二窗镜11进气口 12出气口 13检偏器 14第一光电探测器 15锁相放大器16第一功率分束器 17螺旋线圈驱动器 18激光器驱动器 19第二光电探测器20高通滤波器 21乘法器 22第一低通滤波器 23第一PID控制器24第二低通滤波器 25第二PID控制器 26压电陶瓷驱动器 27压电陶瓷28控制器 29第二功率分束器 A光学单元 B电学测量单元 C反馈锁频单元D腔长锁定单元
具体实施方式
[0045] 下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0046] 本技术领域技术人员可以理解，除非特意
声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的
说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0047] 本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0048] 为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明。
[0049] 实施例
[0050] 图1为本实施例提供了一种顺磁性气体分子浓度检测系统，参照图1，该系统包括：控制器28、激光器驱动器18、光学单元A、电学测量单元B、反馈锁频单元C和腔长锁定单元D。
[0051] 控制器28产生激光调制信号和磁场调制信号。
[0052] 光学单元A包括顺序光耦合连接的激光器1、光隔离器2、偏振分光镜3、模式匹配透镜4、起偏器5和谐振腔(6-12)。
[0053] 激光器1，用于作为光学单元的第一输入端，与激光器驱动器18的输出端电路连接，用于在激光器驱动器18的驱动下发射激光；光隔离器2，用于阻止反射光进入激光器1；偏振分光镜3，用于作为光学单元A的第一输出端，引导来自光隔离器2的激光进入模式匹配透镜4和来自谐振腔的反射光进入第二光电探测器19；模式匹配透镜4，用于实现激光与谐振腔之间的模式匹配，通过调整模式匹配透镜的参数及
位置，使入射光束的束腰聚焦到谐振腔的中心，并使其束腰大小与腔束腰大小相等；起偏器5，用于与谐振腔光纤连接，将激光转变为线偏振光。气体分子进入谐振腔(6-10)，气体分子吸收线在磁场的作用下产生塞曼分裂进而引起磁致双折射效应。当一个线偏振光在纵向磁场中通过充满顺磁性气体分子的吸收池时，由于磁致双折射效应，它的偏振面将产生角度偏转。
[0054] 电学测量单元B包括检偏器13、第一光电探测器14、锁相放大器15、第一功率分束器16和螺旋线圈驱动器17，检偏器13与光学单元A的谐振腔光纤连接，并光纤连接至第一光电探测器14，第一光电探测器14与锁相放大器15电路连接，得到透射光的电信号，第一功率分束器16接收控制器28产生的磁场调制信号，分别与锁相放大器15和螺旋线圈驱动器17电路连接，螺旋线圈驱动器17电路连接至光学单元A的第二输入端(螺旋线圈8)，用于对光学单元产生交变磁场；锁相放大器15用于根据从腔透射光信号中提取反映气体浓度信息的谐波信号，锁相放大器是利用
正交性原理，从含噪信号中提取某一特定频率分量，同时滤除其他频率成分和噪声的功能模
块。在本系统中所述的锁相放大器用于将得到的电信号与磁场调制信号进行相关运算，从中提取反映气体浓度信息的谐波信号。
[0055] 反馈锁频单元C包括顺序电路连接的第二光电探测器19、高通滤波器20、乘法器21、第一低通滤波器22和第一PID控制器23，第二光电探测器19与光学单元A的第一输出端(偏振分光镜3)电路连接，用于接收来自谐振腔的反射光，通过第二光电探测器19对反射光信号转换为电信号，通过高通滤波器20对电信号进行滤波，滤除光电探测信号中的低频成分；高通滤波器20的输出端与乘法器21的第一输入端电路连接，乘法器21的第二输入端与控制器28电路连接，来自高通滤波器20的信号与来自控制器28的调制电信号进行乘法运算得到乘法信号，乘法器21的第一输出端电路连接至第一低通滤波器22，然后与第一PID控制器23的输入端电路连接；第一PID控制器23产生控制信号输入至激光器驱动器18，用于调整激光器驱动电流，实现激光频率与谐振腔频率的锁定。
[0056] 腔长锁定单元D包括通过乘法器21的第二输出端顺序电路连接的第二低通滤波器24、第二PID控制器25和压电陶瓷驱动器26，并连接至光学单元A的谐振腔(压电陶瓷27)，第二PID控制器25产生控制信号输入至压电陶瓷驱动器26,用于通过压电陶瓷驱动器26实现对谐振腔的腔长锁定。
[0057] 谐振腔包括：第一平凹高反镜6、第二平凹高反镜7、螺旋线圈8、压电陶瓷27、第一窗镜9、第二窗镜10、进气口11和出气口12。
[0058] 第一平凹高反镜6和第二平凹高反镜7，用于待测气体经过进气口进入谐振腔中时，进入谐振腔的激光在第一平凹高反镜6和第二平凹高反镜7之间来回反射；压电陶瓷27，用于固定第一平凹高反镜6，压电陶瓷27电路连接腔长锁定单元D的压电陶瓷驱动器26，通过调节压电陶瓷对谐振腔的腔长进行锁定；螺旋线圈8，用于作为光学单元的第二输入端，产生交变磁场；第一窗镜9和第二窗镜10，用于对谐振腔进行密封；进气口11和出气口12，用于对待检测气体进行吸入和排出。
[0059] 优选地，控制器为微控制器。微控制器采用数字
信号处理芯片TMS320F28335。
[0060] 该系统还可以包括第二功率分束器29，参照图2，第二功率分束器29与控制器28电路连接，用于将控制器28产生的正弦调制信号经过第二功率分束器29后分成两路，一路输入至激光器驱动器18产生激光器频率调制信号，另一路作为参考信号输入至乘法器21的第二输入端。
[0061] 控制器输出的正弦调制信号频率为120MHz，磁场调制信号频率为1KHz。
[0062] 第一功率分束器和/或第二功率分束器的分配比例为1:1。
[0063] 激光器为带间级联激光器。
[0064] 通过本实施例的系统进行气体检测的原理为：气体分子吸收线在磁场的作用下产生塞曼分裂进而引起磁致双折射效应。当线偏振光在纵向磁场中经过充满顺磁性气体的吸收池时，由于磁致双折射效应，偏振光的偏振面将产生偏转，偏转角度与气体浓度有关。
[0065] 本实施例的另一方面提供了一种应用上述系统检测顺磁性气体分子浓度的方法，包括以下步骤：
[0066] 1)将确定浓度的顺磁性气体通入谐振腔，设定微控制器的激光器温度和驱动电流，使激光器发光波长位于待测气体吸收线上，依次启动带间级联激光器、第一光电探测器、第二光电探测器；
[0067] 2)通过控制器产生频率为120MHz的激光调制信号，并将其分成两路，一路输入激光器驱动器的高频调制电路来调制激光频率，另一路作为
本振信号经过移相后输入乘法器，与来自谐振腔的反射光信号混频；
[0068] 3)设定第一PID控制器的比例、积分和微分系数，启动第一PID控制器，锁定激光器频率；
[0069] 4)设定第二PID控制器的比例、积分和微分系数,启动第二PID控制器和压电陶瓷驱动器，锁定谐振腔的腔长；
[0070] 5)通过控制器设定磁场调制参数，启动螺旋线圈驱动器；设定锁相放大器参数，启动锁相放大器，通过锁相放大器采集一次谐波幅值并存储，设定采集时间，到达采集时间后计算一次谐波平均值，并排空所述顺磁性气体；
[0071] 6)选取一定范围浓度的所述顺磁性气体，分别通入所述谐振腔，并通过上述步骤5)得到对应浓度得到的谐波平均值，根据所述顺磁性气体的浓度及对应的谐波平均值作标定曲线或根据测量结果拟合出一次谐波信号幅值与气体浓度的关系；
[0072] 7)将待测顺磁性气体通入谐振腔，通过上述步骤5)得到对应的平均值，根据标定曲线得到所述待测顺磁性气体的浓度。
[0073] 具体包括：
[0074] a)将谐振腔的出气口与气
泵相连，将待测气体抽入谐振腔中；
[0075] b)按照标定步骤设置好的参数依次启动带间级联激光器、第一光电探测器14、第二光电探测器19、第一PID控制器23、第二PID控制器25和压电陶瓷驱动器26；
[0076] c)启动微控制器，输出频率为120MHz的激光频率调制信号和频率为1kHz的磁场调制信号，启动螺旋线圈驱动器17；
[0077] d)按照标定步骤设置好的参数启动锁相放大器15，提取谐波信号，通过标定步骤拟合关系式(标定曲线)计算待测气体浓度。
[0078] 本领域技术人员应能理解上述元件的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的元件应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
[0079] 本领域技术人员应能理解，图1仅为简明起见而示出的各类元素的数量可能小于一个实际系统中的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。
[0080] 用本发明实施例的系统进行多媒体通信系统进行顺磁性气体分子浓度的检测的具体过程与前述方法实施例类似，此处不再赘述。
[0081] 通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助
软件加必需的通用
硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，
服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0082] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以
权利要求的保护范围为准。
