中心附近，经凹面螺旋光学腔63的多次循环反 射，从出射窗口 64射出，输出信号检测模块7对由出射窗口射出的光束进行探测以及数据 的处理。
[0043] 此外，激光光源模块1可以由激光温度电流控制器和激光器组成。激光温度电流 控制器使激光器在室温下，通过调节电流以输出一定功率的激光。激光器的输出波长随着 激光温度电流控制器输出电流的改变而变化，从而达到波长的调谐。
[0044] 此外，输出信号检测模块5可以包括光电探测器、锁相放大器（lock-in)、A/D转换 电路。其中，光电探测器位于螺旋型多光程池6的出射窗口 64处，用于探测从螺旋型多光 程池中射出的光信号并将其转化为电信号。锁相放大器对光电探测器输出的微弱信号进行 放大和滤波，并对该信号进行解调。A/D转换电路将解调出的模拟信号转化为数字信号并输 出到数据处理系统进行处理。
[0045] 实施例二
[0046] 参见附图4,为本发明实施例二提供的测量气体浓度的螺旋型多光程装置。与本发 明实施例一提供的测量气体浓度的螺旋型多光程装置的主要不同之处在于，本发明实施例 二还包括高频调制电路3和MCU (单片微型计算机）4。此外，本发明实施例二中，激光光源 模块1由激光温度电流控制器11和激光器12组成。输出信号检测模块5包括光电探测器 51，锁相放大器52和A/D转换电路53。
[0047] MCU4为激光温度电流控制器11输出20HZ的低频三角波，用以调制激光波长，以对 应吸收气体的光谱。高频调制电路3用于为激光器12输入8KHZ的高频率正弦波信号，依 附在20HZ的低频三角波的边缘上，以对激光波长进行调制。同时，高频调制电路3为锁相 放大器52输入相同频率（8KHZ)的正弦波参考信号，以使锁相放大器52能对光电探测器7 探测到的电信号进行解调。
[0048] 此外，本实施例中的激光器12可以为半导体激光器。
[0049] 本实施例中，激光温度电流控制器11使激光器12在室温下，通过调节电流以输出 一定功率的激光。激光器12的输出波长随着激光温度电流控制器11输出电流的改变而变 化，从而达到波长的调谐。
[0050] 本实施例中，激光器12发射的光源通过薄透镜2后，从入射窗口 61入射到螺旋型 多光程池中，并来回循环反射，到达出射窗口 6,光电探测器51位于螺旋型多光程池6的出 射窗口 64处，用于探测从螺旋型多光程池6中射出的光信号并将其转化为电信号。锁相放 大器52对光电探测器51输出的微弱电信号进行放大和滤波，同时根据高频调制电路3输 出的参考信号，对该电信号进行解调，从而提取一次谐波和二次谐波信号，并通过A/D转换 电路9转化为数字信号，采样输送到MCU4,由MCU4进行数据采集和处理。MCU4最后根据二 次谐波和一次谐波的比值计算出气体的浓度。
[0051] 实施例三
[0052] 参见附图5,本发明实施例三提供的测量气体浓度的螺旋型多光程装置与本发明 实施例二提供的测量气体浓度的螺旋型多光程装置的不同之处在于，所使用的螺旋型多光 程池6还包括入射窗口密封阀601，密封外盖602和密封外盖607和出射窗口密封阀606。 参见附图6,螺旋型多光程池6的边缘有凹槽605,用于放0圈，密封外盖601和密封内盖 607通过0圈压紧在螺旋型多光程池6的上下两端，从而密封螺旋型多光程池6。
[0053] 参考图6,入射窗口密封阀601由入射窗底盘6011、平面镜6012和入射窗顶盘 6013组成。其中，入射窗口 61上设有凹槽，凹槽上放置0圈，入射窗底盘6011压紧凹槽上 的0圈，对入射窗口 61形成密封，入射窗底盘6011的顶端也设有凹槽，凹槽上放置有0圈， 平面镜6012通过入射窗顶盘6013压紧入射窗底盘6011顶端凹槽处的0圈，这样就能够将 入射窗口完全密封。出射窗口密封阀606的结构和入射窗口密封阀601的结构相同，为了简 单起见，图6中未标出出射窗口密封阀606的结构。可参照入射窗口密封阀601，出射窗口 密封阀606也包括出射窗底盘，第二平面镜和出射窗顶盘，其中，出射窗口 64上设有凹槽， 凹槽上放置〇圈，出射窗底盘压紧凹槽上的〇圈，对出射窗口形成密封，出射窗底盘的顶端 也设有凹槽，凹槽上放置有〇圈，第二平面镜通过出射窗顶盘压紧出射窗底盘的顶端凹槽 处的0圈，这样就能够将出射窗口完全密封。
[0054] 此外，入射窗底盘6011有0-15°的倾斜度，使平面镜6012也有0-15°的倾斜，以 避免入射光到平面镜6012上的直反射。出射窗底盘也有0-15°的倾斜度，使第二平面镜也 有0-15°的倾斜，以避免入射光到第二平面镜上的直反射。此外，平面镜6012和第二平面 镜可以为在相应波长上镀了增透膜的平板玻璃。
[0055] 此外，本实施例的螺旋型多光程池 6密封外盖602上背面穿透了一个直径为6mm 的进气口 603,用于对螺旋型多光程池进行真空吸收，密封外盖607背面穿透一个出气口 608,用于注入待测气体。此时，本实施例的螺旋型多光程池 6还包括密封内盖604和密封 内盖609,其中密封内盖604用于对进气口 603的密封，密封内盖609对出气口 608进行密 封。
[0056] 本发明实施例三的实施过程为：首先对通过进气口 603对螺旋型多光程池6进行 真空吸收，然后通过出气口 608给螺旋型多光程池6中注入一定浓度的待测气体。由MCU4 产生一定幅度的低频三角波到激光温度电流控制器11，调谐激光器12输出的波长，使其能 够覆盖整个气体分子的吸收谱线。以此同时，高频调制电路3输出一定幅度的高频率正弦 波对激光器12中的电流进行调制。激光器12发出的激光从入射窗口 61入射到螺旋型多 光程池进行来回循环反射，到达出射窗口 64出射到光电探测器7。光电探测器7接收到从 出射窗口 64射出来的激光信号，并且将激光信号转化为电信号，送至锁相放大器8。锁相放 大器8对检测到的微弱信号进行放大和滤波处理，再根据高频调制电路2输出的参考信号， 对检测信号进行解调，从而提取一次谐波和二次谐波信号，并通过A/D转换电路9转化为数 字信号，采样输送到MCU1，由MCUl采集和处理。最后根据二次谐波和一次谐波的比值计算 出气体的浓度。
[0057] 以上的【具体实施方式】，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细 说明，所应理解的是，以上仅为本发明的【具体实施方式】而已，并不用于限制本发明，凡在本 发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范 围之内。
【主权项】
1. 一种测量气体浓度的螺旋型多光程装置，其特征在于，包括激光光源模块、螺旋型多 光程池和输出信号检测模块，其中， 所述螺旋型多光程池包括凹面螺旋光学腔，入射窗口和出射窗口，所述凹面螺旋光学 腔由曲率半径为r的曲线沿径向半径R做螺旋旋转而成； 所述激光光源模块射出的激光通过所述入射窗口入射到所述凹面螺旋光学腔，经过螺 旋式的来回循环反射，由所述出射窗口出射，经所述输出信号检测模块进行检测。2. 根据权利要求1所述的测量气体浓度的螺旋型多光程装置，其特征在于，所述凹面 螺旋光学腔满足条件〇 <R<r。3. 根据权利要求1所述的测量气体浓度的螺旋型多光程装置，其特征在于，所述螺旋 型多光程池还包括密封外盖， 所述密封外盖位于所述凹面螺旋光学腔的上下表面，所述密封外盖上设有进气口和出 气口，所述出气口用于注入待测气体，所述进气口用于对螺旋型多光程池进行抽真空。4. 根据权利要求1所述的测量气体浓度的螺旋型多光程装置，其特征在于，所述激光 光源模块包括激光温度和电流控制器，激光器，所述激光温度电流控制器用于激光器的温 度和电流调节和控制，从而达到波长的调谐。5. 根据权利要求4所述的测量气体浓度的螺旋型多光程装置，其特征在于，所述输出 信号检测模块包括光电探测器、锁相放大器、和A/D转换电路，所述光电探测器用于探测从 所述输出窗口输出的光束，并将探测得到光信号转化为电信号，所述锁相放大器对所述电 信号进行放大和滤波以及解调成为模拟信号，所述A/D转换电路用于将解调出的模拟信号 转化为数字信号。6. 根据权利要求4所述的测量气体浓度的螺旋型多光程装置，其特征在于，所述测量 气体浓度的螺旋型多光程装置还包括高频调制电路和MCU， 所述高频调制电路用于为所述激光器输入高频率正弦波信号，以及为所述锁相放大器 输入高频率正弦波参考信号，所述锁相放大器通过所述高频率正弦波参考信号为所述电信 号进行解调； 所述MCU用于控制激光温度和电流并输出低频三角波，以及对所述A/D转换电路的输 出数字信号进行采集与处理。7. 根据权利要求3所述的测量气体浓度的螺旋型多光程装置，其特征在于，所述螺旋 型多光程池还包括入射窗口密封阀和出射窗口密封阀， 所述入射窗口密封阀包括入射窗底盘、第一平面镜和入射窗顶盘，所述入射窗底盘有 0-15 °的倾斜度，所述入射窗底盘密封安装在所述入射窗口上，所述第一平面镜通过所述 入射窗顶盘密封安装在所述入射窗底盘上； 所述出射窗口密封阀包括出射窗底盘、第二平面镜和出射窗顶盘，所述出射窗底盘有 0-15°的倾斜度，所述出射窗底盘密封安装在所述出射窗口上，所述第二平面镜通过所述 出射窗顶盘密封安装在所述出射窗底盘上。8. 根据权利要求3所述的测量气体浓度的螺旋型多光程装置，其特征在于，所述螺旋 型多光程池还包括第一密封内盖和第二密封内盖，所述第一密封内盖用于密封所述进气 口，所述第二密封内盖用于密封所述出气口。9. 根据权利要求1所述的测量气体浓度的螺旋型多光程装置，其特征在于，还包括薄
【专利摘要】本发明公开了一种测量气体浓度的螺旋型多光程装置，属于气体浓度光学测量领域。该装置包括激光光源模块、螺旋型多光程池和输出信号检测模块，激光光源模块发出的激光经螺旋型多光程池来回循环反射后，有输出信号检测模块进行检测，从而得到气体浓度。该装置对气体浓度进行测量时，可以有效地缩小光程池的体积，加长光作用的有效光程，从而能有效地提高光谱探测灵敏度，提高吸收气体浓度测量的精确度。
【IPC分类】G01N21/39
【公开号】CN105181645
【申请号】CN201510651356
【发明人】李传亮, 邱选兵, 吴飞龙, 刘电广, 吴应发, 魏计林
【申请人】太原科技大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年10月10日