一種大氣痕量氣體探測裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及氣體濃度檢測裝置領(lǐng)域，具體是一種大氣痕量氣體探測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 大氣中痕量氣體的濃度極低，它們在大氣中的體積混合比約10I2~10 7量級，探 測大氣痕量氣體需要檢測儀器具有非常高的探測靈敏度。利用光譜吸收技術(shù)來探測大氣痕 量氣體，通常通過增加吸收光程的方式來達(dá)到高探測靈敏度的目的。由兩塊高反射率鏡片 組成的光學(xué)諧振腔，當(dāng)光源發(fā)出的光從腔的一端入射，那么入射光就可W在腔內(nèi)來回多次 反射后再從另一端出射，運(yùn)樣就達(dá)到了增加吸收光程的目的。目前采用運(yùn)種光學(xué)諧振腔來 探測大氣痕量氣體濃度的技術(shù)主要是腔衰蕩光譜技術(shù)（CRD巧和非相干寬帶腔增強(qiáng)吸收光 譜技術(shù)（IBBCEA巧。其中，CRDS技術(shù)采用激光光源來激勵(lì)光學(xué)諧振腔，它利用光電倍增管并 配備高速數(shù)據(jù)采集卡來獲得激光經(jīng)過諧振腔后的衰蕩信號，再從衰蕩信號中得到激光在腔 內(nèi)的衰蕩時(shí)間最終確定被測氣體的濃度；IBBCEAS技術(shù)則是利用寬帶光源，例如氣弧燈、發(fā) 光二極管等來激勵(lì)光學(xué)諧振腔，運(yùn)些光源是連續(xù)發(fā)光的，出射光由光譜儀分光后再多通道 光探測器（例如CCD或PDA)進(jìn)行探測，然后通過光譜擬合的分析方法來確定被測氣體的濃 度。高速數(shù)據(jù)采集卡和激光光源成本昂貴，而且激光光源壽命有限，同時(shí)還需要專用的驅(qū)動(dòng) 裝置，不利于CRDS技術(shù)用于長時(shí)間的外場測量。而IBBCEAS技術(shù)是寬帶光譜測量技術(shù)，通 常情況下需要獲得被測氣體數(shù)十納米波段內(nèi)的吸收信息，才能反演出被測氣體的濃度，測 量時(shí)光譜儀和多通道光探測器必不可少。而光譜儀受溫度影響較大，尤其是野外測量，晝夜 溫差較大，測量光譜難免發(fā)生波長漂移，從而影響測量結(jié)果。此外，IBBCEAS技術(shù)的測量結(jié) 果與光源光強(qiáng)有直接關(guān)系，運(yùn)種測量技術(shù)對光源的穩(wěn)定性要求很高，通常需要對光源采取 穩(wěn)定光強(qiáng)輸出的措施，運(yùn)無疑增加了測量裝置的復(fù)雜性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種大氣痕量氣體探測裝置，W解決現(xiàn)有技術(shù)利用光學(xué)諧振 腔測量大氣痕量氣體存在的問題。
[0004] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為： 陽〇化]一種大氣痕量氣體探測裝置，其特征在于：包括正弦信號產(chǎn)生電路、調(diào)制電流源、 寬帶放大器、正弦信號相位差檢測電路、光源、光電倍增管、氣體池，所述氣體池為圓柱體 狀，氣體池一端圓面端設(shè)置有入光口，氣體池另一端圓面端設(shè)置有出光口，氣體池側(cè)壁上一 端設(shè)置有進(jìn)氣口，氣體池側(cè)壁上另一端設(shè)置有出氣口，且入光口、出光口分別位于氣體池中 屯、軸線兩端，氣體池內(nèi)靠近入光口位置設(shè)置有第一高反射率鏡片，氣體池內(nèi)靠近出光口位 置設(shè)置有第二高反射率鏡片，且第一、第二高反射率鏡片反射面彼此相對，所述光源設(shè)置在 氣體池入光口所在一端外并對準(zhǔn)入光口，且光源與氣體池入光口之間依次設(shè)置有帶通干設(shè) 濾光片、第一透鏡、第一光闊，所述光電倍增管設(shè)置在氣體池出光口所在一端外，光電倍增 管的接收窗口對準(zhǔn)出光口，且氣體池出光口與光電倍增管之間依次設(shè)置有第二光闊、第二 透鏡，所述正弦信號產(chǎn)生電路輸出端與調(diào)制電流源輸入端連接，調(diào)制電流源輸出端與光源 的驅(qū)動(dòng)端連接，所述光電倍增管輸出端與寬帶放大器輸入端連接，所述正弦信號相位差檢 測電路具有兩個(gè)輸入端，正弦信號相位差檢測電路其中一個(gè)輸入端與寬帶放大器輸出端連 接，正弦信號相位差檢測電路另一個(gè)輸入端與正弦信號產(chǎn)生電路輸出端連接；
[0006] 正弦信號產(chǎn)生電路輸出的正弦電壓信號控制調(diào)制電流源，使調(diào)制電流源輸出正弦 調(diào)制的電流后驅(qū)動(dòng)光源發(fā)出正弦調(diào)制光，正弦調(diào)制光首先經(jīng)過帶通干設(shè)濾光片濾光，再通 過第一透鏡將正弦調(diào)制光匯聚在氣體池的中屯、位置，第一光闊用來限制入射光斑的直徑， 進(jìn)入氣體池后的正弦調(diào)制光在第一高反射率鏡片和第二高反射率鏡片之間回來多次反射 增加吸收光程，從第二高反射率鏡片透射出來的正弦調(diào)制光經(jīng)過第二光闊限制光斑直徑 后，被第二透鏡收集并且匯聚到光電倍增管的接收窗口，透射出來的正弦光信號被光電倍 增管轉(zhuǎn)換成為正弦電壓信號，正弦電壓信號經(jīng)過寬帶放大器放大后，輸入到正弦信號相位 差檢測電路其中的一個(gè)輸入端，正弦信號相位差檢測電路的另一個(gè)輸入端的信號為正弦信 號產(chǎn)生電路輸出的正弦電壓信號，正弦信號相位差檢測電路輸出的相位差大小與被測氣體 濃度存在關(guān)聯(lián)。
[0007] 所述的一種大氣痕量氣體探測裝置，其特征在于：所述光源為高亮度發(fā)光二極管， 所述帶通干設(shè)濾光片的中屯、波長與光源的中屯、波長相同。
[0008] 所述的一種大氣痕量氣體探測裝置，其特征在于：所述氣體池由聚四氣乙締材料 制成，氣體池兩端分別對應(yīng)與第一高反射率鏡片和第二高反射率鏡片密封連接在一起。
[0009] 所述的一種大氣痕量氣體探測裝置，其特征在于：所述正弦信號產(chǎn)生電路包括型 號為AT89C51的單片機(jī)U21、型號為AD9834的直接數(shù)字頻率合成忍片U22、無源晶體振蕩器 X21、有源晶體振蕩器X22、型號為0P07的運(yùn)算放大器U23、撥碼開關(guān)SW21和兩腳的輸出端 子J21構(gòu)成，單片機(jī)U21的XTAL1引腳、XTAL2引腳分別與無源晶體振蕩器X21兩端一一對 應(yīng)連接，無源晶體振蕩器X21兩端還串聯(lián)有電容C2UC22,電容C2UC22之間通過導(dǎo)線接地， 由無源晶體振蕩器X21、電容C21和C22構(gòu)成時(shí)鐘電路，單片機(jī)U21的RESET引腳通過電容 C23接入巧V電壓，單片機(jī)U21的RESET引腳還通過電阻R21接地，由電容C23和電阻R21 構(gòu)成復(fù)位電路，單片機(jī)U21的P2. 0引腳一P2. 7引腳與撥碼開關(guān)SW21 -端連接，撥碼開關(guān) SW21另一端接地，由撥碼開關(guān)SW21構(gòu)成撥碼開關(guān)輸入電路，單片機(jī)U21的愛沒引腳通過電 阻R23接入巧V電壓，單片機(jī)U21的P1. 0引腳一P1. 3引腳與直接數(shù)字頻率合成忍片U22的 S化K引腳、SDATA引腳、FSYNC引腳、RESET引腳--對應(yīng)連接，單片機(jī)U21的VCC引腳接入 +5V電壓，單片機(jī)U21的VCC引腳還通過電容C24與自身GND引腳共接接地，所述直接數(shù)字 頻率合成忍片U22的M化K引腳通過電阻R22與有源晶體振蕩器X22 -端連接，有源晶體振 蕩器X22另一端與單片機(jī)U21的GND引腳連接，有源晶體振蕩器X22的電源端接入巧V電 壓，直接數(shù)字頻率合成忍片肥2的CAP引腳通過電容C25與自身的DGND引腳連接，直接數(shù) 字頻率合成忍片U22的DGND接地，直接數(shù)字頻率合成忍片U22的DGND引腳還通過電容C27 與自身DVDD引腳共接接入巧V電壓，直接數(shù)字頻率合成忍片U22的AGND引腳與自身DGND 引腳連接，直接數(shù)字頻率合成忍片U22的AGND引腳還通過電容C26與自身AVDD引腳連接， 直接數(shù)字頻率合成忍片肥2的AVDD引腳與自身DVDD引腳連接，直接數(shù)字頻率合成忍片U22 的COMP引腳通過電容C29接入巧V電壓，直接數(shù)字頻率合成忍片U22的REF0UT引腳通過 電容C210與自身SLEEP引腳共接接地，直接數(shù)字頻率合成忍片U22的FSADJ引腳通過電 阻R24接地，直接數(shù)字頻率合成忍片U22的lOUT引腳通過電阻R25與自身VIN引腳連接， 直接數(shù)字頻率合成忍片肥2的VIN引腳通過電容C211接地，直接數(shù)字頻率合成忍片U22的 I0UTB引腳通過相互并聯(lián)的電容C28、電阻R27接地，所述運(yùn)算放大器U23的同相輸入端依 次通過電阻R29、電阻R28與直接數(shù)字頻率合成忍片U22的I0UT引腳連接，且電阻R28與直 接數(shù)字頻率合成忍片U22的I0UT引腳之間還通過相互并聯(lián)的電容C212、電阻R26接地，運(yùn) 算放大器U23的同相輸入端還通過電容C213接地，運(yùn)算放大器U23的反相輸入端通過電阻 R210接地，運(yùn)算放大器U23的反相輸入端還通過電阻R211與自身輸出端連接，運(yùn)算放大器 U23的輸出端通過電容C214接入電阻R28、電阻R29之間，運(yùn)算放大器U23的輸出端還與輸 出端子J21的引腳1連接，輸出端子J21的引腳2接地，由運(yùn)算放大器U23、電阻R28-R211、 電容C213和C214、輸出端子J21構(gòu)成有源低通濾波電路。
[0010] 所述的一種大氣痕量氣體探測裝置，其特征在于：所述調(diào)制電流源包括型號分別 為化064的運(yùn)算放大器U1A和U1B、M0S管Q31、兩腳的輸出端子J32,運(yùn)算放大器U1A的 反相輸入端與正弦信號產(chǎn)生電路中輸出端子J21的引腳1連接，運(yùn)算放大器U1A的同相輸 入端與運(yùn)算放大器U1B的輸出端連接，運(yùn)算放大器U1A正、負(fù)電源端分別對應(yīng)接入+12V電 壓、-12V電壓，且運(yùn)算放大器U1A的正電源端還通過電容C31接地，運(yùn)算放大器U1A的負(fù)電 源端還通過電容C32接地，運(yùn)算放大器U1A的輸出端通過電阻R31與M0S管Q31的柵極連 接，M0S管Q31的源極接入+12V電壓，M0S管Q31的源極還通過相互并聯(lián)的電容C33、電阻 R32與自身柵極連接，M0S管Q31的漏極與輸出端子J32的引腳1連接，輸出端子J32的引 腳2通過電阻R33接地，運(yùn)算放大器U1B的同相輸入端通過相互并聯(lián)的電容C34、電容C35 接地，運(yùn)算放大器U1B的同相輸入端還接入輸出端子J32的引腳2與電阻R33之間，運(yùn)算放 大器U1B反相輸入端通過相互并聯(lián)的電容C36、電阻R34接地，運(yùn)算放大器U1B反相輸入端 還通過電阻R35與自身的輸出端連接，所述輸出端子J32的引腳1、引腳2分別與光源的正、 負(fù)極連接。
[0011] 所述的一種大氣痕量氣體探測裝置，其特征在于：所述正弦信號相位差檢測電路 包括型號為AD8302的相位差檢測集成忍片U41、型號為AtmegaS的單片機(jī)U42、輸入端子 J41和J42、撥碼開關(guān)SW41，相位差檢測集成忍片U41的INPA引腳依次通過電容C41、電阻 R41、電容C42與自身0FSA引腳連接，電容C41與電阻R41之間、電容C42與電阻R41之間 分別引出有導(dǎo)線連接至輸入端子J41，輸入端子J41與正弦信號產(chǎn)生電路中的輸出端子J21 的引腳1連接，電容C42與電阻R41之間還通過導(dǎo)線接地，相位差