(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210768609.8 (22)申请日 2022.07.01 (71)申请人 安徽合束环境科技有限公司 地址 230031 安徽省合肥市蜀山区湖光路 自主创新产业基地三期 （南区）B座 215-23 (72)发明人 刘文发　吴传军　王辉　 (74)专利代理 机构 合肥天明专利事务所(普通 合伙) 34115 专利代理师 金凯 (51)Int.Cl. G01N 21/39(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种基于光腔衰荡的痕量气体检测系统及 方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于光腔衰荡的痕量气 体检测系统及方法， 光源调制系统包括激光器控 制系统、 连接于激光器控制系统的激光器， 以及 设置于激光器的声光调制器； 光腔 衰荡组件包括 由两块平凹透镜组成的衰荡腔， 以及非球面准直 透镜和汇聚透镜； 设置于衰荡腔的过滤系统； 感 应探测系统包括设置于汇聚透镜的探测器、 设置 于衰荡腔的恒压控制 系统、 设置于衰荡腔的恒温 控制系统， 以及设置于探测器的阈值检测系统； 数据处理系统， 用于采集光强信号、 数据A/D转 换， 以及根据采集到的数据调用算法进行反演计 算。 本发明通过设置的衰荡腔， 得到符合要求的 光强度， 从而将有效光程提高至数千倍至万倍， 则探测灵敏度也应提高相应的数量级， 可以提高 准确度和稳定性。 权利要求书2页 说明书6页 附图1页 CN 114910445 A 2022.08.16 CN 114910445 A 1.一种基于光腔衰荡的痕量气体检测系统， 其特征在于， 所述系统包括光源调制系统、 光腔衰荡组件、 过 滤系统、 感应探测系统， 以及数据处 理系统； 所述光源调制系统包括激光器控制系统、 连接于激光器控制系统的激光器， 以及设置 于激光器后端用于阻断光束 耦合的声光调制器； 所述光腔衰荡组件包括由两块平 凹透镜组成的衰荡腔， 以及 设置于衰荡腔两端外侧的 非球面准直透镜和汇聚透 镜； 所述过滤系统设置于衰荡腔的进气口位置， 用于过滤进入衰荡腔腔体的气体中的颗粒 物以及水汽； 所述感应探测系统包括设置于汇聚透镜外侧的探测器、 设置于衰荡腔恒压控制系统、 设置于衰荡腔的恒温控制系统， 以及设置 于探测器探测光强度的阈值检测系统； 所述数据处理系统， 用于采集光强信号、 数据A/D转换， 以及根据采集到的数据调用算 法进行反演计算。 2.根据权利要求1所述一种基于光腔衰荡的痕量气体检测系统， 其特征在于， 所述声光 调制器之后设置有用于对反向输入的信号进行抑制的光隔离器。 3.根据权利要求2所述一种基于光腔衰荡的痕量气体检测系统， 其特征在于， 所述阈值 检测系统的信号输出端连接 于声光调制器。 4.根据权利要求1所述一种基于光腔衰荡的痕量气体检测系统， 其特征在于， 所述平 凹 透镜的平面设置有增透膜， 所述平凹透 镜的凹面设置有反射 率大于99.99％的介质反射膜。 5.根据权利要求1所述一种基于光腔衰荡的痕量气体检测系统， 其特征在于， 所述衰荡 腔设置有进气口和出气口， 且所述过滤系统设置于进气口之前， 所述出气口处连接有微型 真空气泵。 6.根据权利要求1所述一种基于光腔衰荡的痕量气体检测系统， 其特征在于， 所述数据 处理系统设置有数据存 储展示系统。 7.根据权利要求6所述一种基于光腔衰荡的痕量气体检测系统， 其特征在于， 所述数据 存储展示系统分别连接有用于上传测量数据至数据库的网络传输模块和定位模块。 8.一种痕量气体检测方法， 其特征在于， 所述方法应用于如权利要求1至7任一项所述 的一种包括基于光腔衰荡的痕量气体 检测系统， 具体步骤 包括： 激光器控制系统通过控制激光器发射激光束， 经 过非球面 准直透镜后， 进入衰荡腔； 调节衰荡腔的腔体长度， 使激光束在衰荡腔内部的两凹面之间来回反射， 最终形成稳 定的驻波； 同时每次射出衰荡腔腔外的一小部分激光束会透射到汇聚透镜后进行聚焦， 再通过探 测器探测经 过汇聚透 镜聚焦的光强度； 当阈值检测系统检测到光强度超过预设强度时， 向声光调制器发出信号， 阻断激光束 耦合进入衰荡腔； 同时数据处理系统记录光强度随时间的变化曲线， 将光强下降至阈值强度的1/e时的 时间参数作为计算的特征参数， 并与 空腔衰荡 的衰荡时间进行比较， 通过反演计算得到衰 荡腔腔体内吸 收介质的浓度。 9.根据权利要求8所述一种痕量气体检测方法， 其特征在于， 所述非球面准直透镜与衰 荡腔之间的距离， 使得 经过非球面 准直透镜变换后的激光束 束腰处于 衰荡腔的中心位置 。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114910445 A 210.根据权利要求8所述一种痕量气体检测方法， 其特征在于， 所述通过反演计算得到 衰荡腔腔体内吸 收介质的浓度的具体步骤 包括： 根据光腔衰荡理论， 得到有效光 程的计算公式为： L ＝l/(1‑R+β )； 式中： l为吸收池两镜片间的距离， R为镜片的反射 率， β 为待测气体的吸光度； 衰荡时间定义 为： τ ＝L/c； 式中， c为光速， 用K来表示有效光 程提高的倍数， 则K＝ L/l； 根据有效光 程的计算公式， 可以得到有效光 程的变形公式为： L ≈l/(1‑R)； 若待测痕量气体的衰荡时间为 τ， 得到气体的吸 收系数的计算公式： α ＝1/c(1/ τ‑1/ τ0)； 式中， τ0为空腔衰荡时间； 根据气体分子在 某一波长处的吸收截面为δcm2/分子， 则计算出该分子的分子 数密度： n ＝α / δ 分子 /cm3； 标准状态下， 每立方厘米中含有的分子总数为 N分子/cm3； 则得到该气体的体积百分比含量， 即浓度为： C'＝ n/N； 由于压力对分子数密度有影响， 则最终得到该气体的体积百分比浓度为： C＝(P0/P)C'； 其中， P为系统压力传感模块测量得到的实际压力， P0为标准状况下大气压力， C为被测 气体浓度。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114910445 A 3