一种基于光强补偿的拉曼光谱气体浓度测量装置

本技术涉及气体浓度测量，具体为一种基于光强补偿的拉曼光谱气体浓度测量装置。

背景技术：

1、气体成分分析与浓度检测在多领域至关重要，拉曼光谱技术凭借分子振动“指纹”特征可实现气体多组分定性定量分析，在工业在线监测中应用广泛。

2、然而，现有拉曼光谱技术在实际工业现场长期运行中仍存在一定局限：腔增强技术对光路稳定性要求极高，系统复杂、环境适应性弱；光纤增强方式受限于光纤类型与传输特性，通用性较差且难以覆盖全波段分析；表面增强技术则依赖特定增强基底，存在稳定性和重复性问题，不适用于长期连续监测。而常规拉曼光谱虽系统简单，却普遍面临激光输出功率波动导致的信号漂移问题，严重影响定量测量的准确度与长期可靠性。因此，目前仍缺乏一种结构相对简单、信号收集效率高、能有效抑制光源波动并适用于工业现场长期稳定运行的气体拉曼光谱测量方法与装置。

3、基于此，本实用新型设计了一种基于光强补偿的拉曼光谱气体浓度测量装置，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于提供一种基于光强补偿的拉曼光谱气体浓度测量装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于光强补偿的拉曼光谱气体浓度测量装置，包括激光发射单元、气体池单元、散射光收集单元、光强监测单元以及数据分析处理单元；

3、所述激光发射单元包括激光控制器、激光器及拉曼探头，所述拉曼探头出口设置有凸透镜，所述激光控制器驱动激光器发射激发光，并经光纤传输至拉曼探头；

4、所述气体池单元包括气体池和气压计，所述拉曼探头通过密封结构与气体池连接；

5、所述散射光收集单元包括设于拉曼探头内的收集光路及光谱仪，用于收集并分析气体拉曼散射信号；

6、所述光强监测单元包括设于气体池内的分光凹面镜、聚焦透镜及光电探测器，用于分光并实时监测激发光强；

7、所述数据分析处理单元包括所述光谱仪、数据采集卡以及计算机，用于同步采集光谱信号与光强信号，并进行归一化处理。

8、作为本实用新型的进一步方案，所述激光器的发射波长为532nm；所述拉曼探头出口设置的凸透镜用于将激发激光聚焦于气体池的样品腔中心。

9、作为本实用新型的进一步方案，所述拉曼探头内部集成有激光传输光路和散射光收集光路，两者通过内置的光学元件分离且独立传输，所述激光传输光路连接激光器，所述散射光收集光路连接光谱仪。

10、作为本实用新型的进一步方案，所述分光凹面镜设于气体池内拉曼探头的正前方，用于将前向散射光的一部分反射回拉曼探头，另一部分透射光经聚焦透镜传输至光电探测器。

11、作为本实用新型的进一步方案，所述光电探测器的输出端连接数据采集卡，所述数据采集卡连接计算机，用于将监测到的光强信号转换为电信号并传输至数据分析处理单元。

12、作为本实用新型的进一步方案，所述计算机内置信号处理算法，用于根据所述光强监测单元获取的实时光强信号，对所述散射光收集单元获取的拉曼光谱信号进行归一化处理，以抑制激光功率波动引入的测量误差。

13、作为本实用新型的进一步方案，所述气体池采用气路与光路相互垂直的正交布局，进气口与排气口位于气体池两侧，与光学窗口分离设置。

14、作为本实用新型的进一步方案，所述气体池为耐压密封结构，能够承受不低于500kpa的内部压力，且设有气压计接口，用于在加压条件下增强拉曼散射信号，并实时监测池内压力状态。

15、与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

16、1、解决了常规拉曼光谱技术在工业现场应用中因激光功率波动导致的测量误差大、长期稳定性差的问题，从而提高对工业气体（如焦炉煤气、转炉煤气）多组分浓度与热值计算的准确性和可靠性。

17、2、通过独特的前后向双路光收集设计，结合实时光强监测与归一化补偿机制，实现了拉曼散射信号的高效收集与激光功率波动的实时校正。

18、3、通过气路与光路正交的布局，有效抑制了背景噪声与杂散光，提升了信号信噪比。本发明装置结构紧凑、密封良好、耐腐蚀且支持加压测量，适用于多种苛刻工业环境下的在线气体监测，具有较高的经济性、稳定性与工程实用价值。

1.一种基于光强补偿的拉曼光谱气体浓度测量装置，其特征在于：包括激光发射单元、气体池单元、散射光收集单元、光强监测单元以及数据分析处理单元；

2.根据权利要求1所述的一种基于光强补偿的拉曼光谱气体浓度测量装置，其特征在于：所述激光器（2）的发射波长为532nm；所述拉曼探头（3）出口设置的凸透镜（4）用于将激发激光聚焦于气体池（5）的样品腔中心。

3.根据权利要求1所述的一种基于光强补偿的拉曼光谱气体浓度测量装置，其特征在于：所述拉曼探头（3）内部集成有激光传输光路和散射光收集光路，两者通过内置的光学元件分离且独立传输，所述激光传输光路连接激光器（2），所述散射光收集光路连接光谱仪（10）。

4.根据权利要求1所述的一种基于光强补偿的拉曼光谱气体浓度测量装置，其特征在于：所述分光凹面镜（6）设于气体池（5）内拉曼探头（3）的正前方，用于将前向散射光的一部分反射回拉曼探头（3），另一部分透射光经聚焦透镜（7）传输至光电探测器（8）。

5.根据权利要求4所述的一种基于光强补偿的拉曼光谱气体浓度测量装置，其特征在于：所述光电探测器（8）的输出端连接数据采集卡（11），所述数据采集卡（11）连接计算机（12），用于将监测到的光强信号转换为电信号并传输至数据分析处理单元。

6.根据权利要求5所述的一种基于光强补偿的拉曼光谱气体浓度测量装置，其特征在于：所述计算机（12）内置信号处理算法，用于根据所述光强监测单元获取的实时光强信号，对所述散射光收集单元获取的拉曼光谱信号进行归一化处理，以抑制激光功率波动引入的测量误差。

7.根据权利要求1所述的一种基于光强补偿的拉曼光谱气体浓度测量装置，其特征在于：所述气体池（5）采用气路与光路相互垂直的正交布局，进气口与排气口位于气体池（5）两侧，与光学窗口分离设置，能够减少气体中粉尘或污染物在光学窗口上的沉积，以实现工业现场的长期连续监测。

8.根据权利要求1所述的一种基于光强补偿的拉曼光谱气体浓度测量装置，其特征在于：所述气体池（5）为耐压密封结构，能够承受不低于500kpa的内部压力，且设有气压计（9）接口，用于在加压条件下增强拉曼散射信号，并实时监测池内压力状态。