一种大气痕量气体探测装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及气体浓度检测装置领域，具体是一种大气痕量气体探测装置。
【背景技术】
[0002] 大气中痕量气体的浓度极低，它们在大气中的体积混合比约10I2~10 7量级，探 测大气痕量气体需要检测仪器具有非常高的探测灵敏度。利用光谱吸收技术来探测大气痕 量气体，通常通过增加吸收光程的方式来达到高探测灵敏度的目的。由两块高反射率镜片 组成的光学谐振腔，当光源发出的光从腔的一端入射，那么入射光就可W在腔内来回多次 反射后再从另一端出射，运样就达到了增加吸收光程的目的。目前采用运种光学谐振腔来 探测大气痕量气体浓度的技术主要是腔衰荡光谱技术（CRD巧和非相干宽带腔增强吸收光 谱技术（IBBCEA巧。其中，CRDS技术采用激光光源来激励光学谐振腔，它利用光电倍增管并 配备高速数据采集卡来获得激光经过谐振腔后的衰荡信号，再从衰荡信号中得到激光在腔 内的衰荡时间最终确定被测气体的浓度；IBBCEAS技术则是利用宽带光源，例如氣弧灯、发 光二极管等来激励光学谐振腔，运些光源是连续发光的，出射光由光谱仪分光后再多通道 光探测器（例如CCD或PDA)进行探测，然后通过光谱拟合的分析方法来确定被测气体的浓 度。高速数据采集卡和激光光源成本昂贵，而且激光光源寿命有限，同时还需要专用的驱动 装置，不利于CRDS技术用于长时间的外场测量。而IBBCEAS技术是宽带光谱测量技术，通 常情况下需要获得被测气体数十纳米波段内的吸收信息，才能反演出被测气体的浓度，测 量时光谱仪和多通道光探测器必不可少。而光谱仪受溫度影响较大，尤其是野外测量，昼夜 溫差较大，测量光谱难免发生波长漂移，从而影响测量结果。此外，IBBCEAS技术的测量结 果与光源光强有直接关系，运种测量技术对光源的稳定性要求很高，通常需要对光源采取 稳定光强输出的措施，运无疑增加了测量装置的复杂性。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种大气痕量气体探测装置，W解决现有技术利用光学谐振 腔测量大气痕量气体存在的问题。
[0004] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为： 阳〇化]一种大气痕量气体探测装置，其特征在于：包括正弦信号产生电路、调制电流源、 宽带放大器、正弦信号相位差检测电路、光源、光电倍增管、气体池，所述气体池为圆柱体 状，气体池一端圆面端设置有入光口，气体池另一端圆面端设置有出光口，气体池侧壁上一 端设置有进气口，气体池侧壁上另一端设置有出气口，且入光口、出光口分别位于气体池中 屯、轴线两端，气体池内靠近入光口位置设置有第一高反射率镜片，气体池内靠近出光口位 置设置有第二高反射率镜片，且第一、第二高反射率镜片反射面彼此相对，所述光源设置在 气体池入光口所在一端外并对准入光口，且光源与气体池入光口之间依次设置有带通干设 滤光片、第一透镜、第一光阔，所述光电倍增管设置在气体池出光口所在一端外，光电倍增 管的接收窗口对准出光口，且气体池出光口与光电倍增管之间依次设置有第二光阔、第二 透镜，所述正弦信号产生电路输出端与调制电流源输入端连接，调制电流源输出端与光源 的驱动端连接，所述光电倍增管输出端与宽带放大器输入端连接，所述正弦信号相位差检 测电路具有两个输入端，正弦信号相位差检测电路其中一个输入端与宽带放大器输出端连 接，正弦信号相位差检测电路另一个输入端与正弦信号产生电路输出端连接；
[0006] 正弦信号产生电路输出的正弦电压信号控制调制电流源，使调制电流源输出正弦 调制的电流后驱动光源发出正弦调制光，正弦调制光首先经过带通干设滤光片滤光，再通 过第一透镜将正弦调制光汇聚在气体池的中屯、位置，第一光阔用来限制入射光斑的直径， 进入气体池后的正弦调制光在第一高反射率镜片和第二高反射率镜片之间回来多次反射 增加吸收光程，从第二高反射率镜片透射出来的正弦调制光经过第二光阔限制光斑直径 后，被第二透镜收集并且汇聚到光电倍增管的接收窗口，透射出来的正弦光信号被光电倍 增管转换成为正弦电压信号，正弦电压信号经过宽带放大器放大后，输入到正弦信号相位 差检测电路其中的一个输入端，正弦信号相位差检测电路的另一个输入端的信号为正弦信 号产生电路输出的正弦电压信号，正弦信号相位差检测电路输出的相位差大小与被测气体 浓度存在关联。
[0007] 所述的一种大气痕量气体探测装置，其特征在于：所述光源为高亮度发光二极管， 所述带通干设滤光片的中屯、波长与光源的中屯、波长相同。
[0008] 所述的一种大气痕量气体探测装置，其特征在于：所述气体池由聚四氣乙締材料 制成，气体池两端分别对应与第一高反射率镜片和第二高反射率镜片密封连接在一起。
[0009] 所述的一种大气痕量气体探测装置，其特征在于：所述正弦信号产生电路包括型 号为AT89C51的单片机U21、型号为AD9834的直接数字频率合成忍片U22、无源晶体振荡器 X21、有源晶体振荡器X22、型号为0P07的运算放大器U23、拨码开关SW21和两脚的输出端 子J21构成，单片机U21的XTAL1引脚、XTAL2引脚分别与无源晶体振荡器X21两端一一对 应连接，无源晶体振荡器X21两端还串联有电容C2UC22,电容C2UC22之间通过导线接地， 由无源晶体振荡器X21、电容C21和C22构成时钟电路，单片机U21的RESET引脚通过电容 C23接入巧V电压，单片机U21的RESET引脚还通过电阻R21接地，由电容C23和电阻R21 构成复位电路，单片机U21的P2. 0引脚一P2. 7引脚与拨码开关SW21 -端连接，拨码开关 SW21另一端接地，由拨码开关SW21构成拨码开关输入电路，单片机U21的爱沒引脚通过电 阻R23接入巧V电压，单片机U21的P1. 0引脚一P1. 3引脚与直接数字频率合成忍片U22的 S化K引脚、SDATA引脚、FSYNC引脚、RESET引脚--对应连接，单片机U21的VCC引脚接入 +5V电压，单片机U21的VCC引脚还通过电容C24与自身GND引脚共接接地，所述直接数字 频率合成忍片U22的M化K引脚通过电阻R22与有源晶体振荡器X22 -端连接，有源晶体振 荡器X22另一端与单片机U21的GND引脚连接，有源晶体振荡器X22的电源端接入巧V电 压，直接数字频率合成忍片肥2的CAP引脚通过电容C25与自身的DGND引脚连接，直接数 字频率合成忍片U22的DGND接地，直接数字频率合成忍片U22的DGND引脚还通过电容C27 与自身DVDD引脚共接接入巧V电压，直接数字频率合成忍片U22的AGND引脚与自身DGND 引脚连接，直接数字频率合成忍片U22的AGND引脚还通过电容C26与自身AVDD引脚连接， 直接数字频率合成忍片肥2的AVDD引脚与自身DVDD引脚连接，直接数字频率合成忍片U22 的COMP引脚通过电容C29接入巧V电压，直接数字频率合成忍片U22的REF0UT引脚通过 电容C210与自身SLEEP引脚共接接地，直接数字频率合成忍片U22的FSADJ引脚通过电 阻R24接地，直接数字频率合成忍片U22的lOUT引脚通过电阻R25与自身VIN引脚连接， 直接数字频率合成忍片肥2的VIN引脚通过电容C211接地，直接数字频率合成忍片U22的 I0UTB引脚通过相互并联的电容C28、电阻R27接地，所述运算放大器U23的同相输入端依 次通过电阻R29、电阻R28与直接数字频率合成忍片U22的I0UT引脚连接，且电阻R28与直 接数字频率合成忍片U22的I0UT引脚之间还通过相互并联的电容C212、电阻R26接地，运 算放大器U23的同相输入端还通过电容C213接地，运算放大器U23的反相输入端通过电阻 R210接地，运算放大器U23的反相输入端还通过电阻R211与自身输出端连接，运算放大器 U23的输出端通过电容C214接入电阻R28、电阻R29之间，运算放大器U23的输出端还与输 出端子J21的引脚1连接，输出端子J21的引脚2接地，由运算放大器U23、电阻R28-R211、 电容C213和C214、输出端子J21构成有源低通滤波电路。
[0010] 所述的一种大气痕量气体探测装置，其特征在于：所述调制电流源包括型号分别 为化064的运算放大器U1A和U1B、M0S管Q31、两脚的输出端子J32,运算放大器U1A的 反相输入端与正弦信号产生电路中输出端子J21的引脚1连接，运算放大器U1A的同相输 入端与运算放大器U1B的输出端连接，运算放大器U1A正、负电源端分别对应接入+12V电 压、-12V电压，且运算放大器U1A的正电源端还通过电容C31接地，运算放大器U1A的负电 源端还通过电容C32接地，运算放大器U1A的输出端通过电阻R31与M0S管Q31的栅极连 接，M0S管Q31的源极接入+12V电压，M0S管Q31的源极还通过相互并联的电容C33、电阻 R32与自身栅极连接，M0S管Q31的漏极与输出端子J32的引脚1连接，输出端子J32的引 脚2通过电阻R33接地，运算放大器U1B的同相输入端通过相互并联的电容C34、电容C35 接地，运算放大器U1B的同相输入端还接入输出端子J32的引脚2与电阻R33之间，运算放 大器U1B反相输入端通过相互并联的电容C36、电阻R34接地，运算放大器U1B反相输入端 还通过电阻R35与自身的输出端连接，所述输出端子J32的引脚1、引脚2分别与光源的正、 负极连接。
[0011] 所述的一种大气痕量气体探测装置，其特征在于：所述正弦信号相位差检测电路 包括型号为AD8302的相位差检测集成忍片U41、型号为AtmegaS的单片机U42、输入端子 J41和J42、拨码开关SW41，相位差检测集成忍片U41的INPA引脚依次通过电容C41、电阻 R41、电容C42与自身0FSA引脚连接，电容C41与电阻R41之间、电容C42与电阻R41之间 分别引出有导线连接至输入端子J41，输入端子J41与正弦信号产生电路中的输出端子J21 的引脚1连接，电容C42与电阻R41之间还通过导线接地，相位差