本發(fā)明屬于氣化過氧化氫濃度檢測領(lǐng)域，具體涉及一種基于TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)的大量程氣化H₂O₂濃度檢測儀。

背景技術(shù)：

氣化過氧化氫(Vaporized Hydrogen Peroxide，VHP)顧名思義就是氣態(tài)的過氧化氫，無色、有刺激性氣味，具有氧化還原作用，對厭氧芽孢桿菌殺滅效果良好。相對于液態(tài)過氧化氫，VHP具有更高效的滅菌殺毒效果，早在上世紀(jì)九十年代就通過美國環(huán)境保護(hù)署EPA核準(zhǔn)，作為滅菌劑，已經(jīng)在生物、醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

在VHP滅菌消毒過程中，VHP濃度的測量與控制是確保滅菌消毒有效和保護(hù)使用者生命健康的關(guān)鍵，例如，在無菌檢查中，VHP滅菌濃度測量不準(zhǔn)會導(dǎo)致結(jié)果假陽性或假陰性，而VHP殘留濃度安全值要低于1ppm，否則會對人體造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害，等等。顯然，VHP濃度的實時準(zhǔn)確測量是各領(lǐng)域應(yīng)用VHP進(jìn)行滅菌消毒的基礎(chǔ)和前提。目前，VHP濃度測量主要采用電化學(xué)傳感器，依賴國外進(jìn)口，生產(chǎn)商主要為德國的德爾格和英國ATI公司。此類產(chǎn)品不僅價格昂貴、維護(hù)成本高，而且存在測量響應(yīng)滯后、壽命短、高濃度測量易中毒失效等問題。另外，國內(nèi)相關(guān)VHP檢測儀器也是采用進(jìn)口電化學(xué)傳感器作為其關(guān)鍵部件，而且測量濃度通常不高于1000ppm，測量范圍較小。為了解決電化學(xué)傳感器存在的問題，保證VHP測量的準(zhǔn)確性，有必要提出一種快速響應(yīng)、測量準(zhǔn)確可靠、測量范圍大的VHP濃度檢測儀。

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)測量技術(shù)是一種常見的氣體快速在線測量方法，具有選擇性強(qiáng)、測量精度高，響應(yīng)快等優(yōu)點。中國專利授權(quán)公告號CN102706832A，授權(quán)公告日2014年5月21日，名稱為“一種基于TDLAS-WMS的激光紅外氣體分析儀”的發(fā)明專利，提供了一種波長調(diào)制的TDLAS氯化氫、甲烷、一氧化碳和水蒸氣等單組分的氣體分析儀。包括激光器、激光器驅(qū)動電路、溫度控制電路、帶有光學(xué)腔體的光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器、強(qiáng)度調(diào)制消除電路、鎖相放大電路和數(shù)據(jù)采集與顯示電路；采用空間雙光路差分檢測法和除法運算電路實現(xiàn)了氣體濃度的精確測量。該技術(shù)方案在實現(xiàn)氣體濃度測量的基礎(chǔ)上，消除了激光光強(qiáng)調(diào)制對測量結(jié)果的影響。中國專利授權(quán)公告號CN103645156A，授權(quán)公告日2016年3月2日，名稱為“一種TDLAS氣體檢測方法及系統(tǒng)”的發(fā)明專利，提供了一種面向混合氣體濃度的TDLAS氣體檢測方法及系統(tǒng)，主要特點為氣室垂直放置，保證激光穿透混合氣體各氣體層。該技術(shù)方案可以實現(xiàn)單組分氣體測量，也可以實現(xiàn)多組分混合氣體測量，防止出現(xiàn)氣體漏檢的情況，減少混合氣體檢測的誤差。

上述發(fā)明專利基于TDLAS技術(shù)提出了氣體快速檢測方案，適用于絕大多數(shù)種類氣體的濃度快速測量。VHP產(chǎn)生的同時也伴隨著分解，它不僅具有較強(qiáng)的氧化性和腐蝕性，而且在高濃度(1000-2000ppm)情況下，濕度通常超過90％，對TDLAS各元件表面會造成冷凝和腐蝕，激光光強(qiáng)急劇下降，以至于無法有效探測，測量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性均無法保障。因此，常規(guī)TDLAS測量方案無法保證VHP的精確測量，必須對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計才能適應(yīng)高濕度、氧化腐蝕等特殊惡劣環(huán)境。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是依據(jù)朗伯—比爾定律，基于TDLAS和波長調(diào)制技術(shù)檢測VHP濃度。本發(fā)明針對特殊的檢測對象VHP(氧化性、腐蝕性、高濕度)，通過技術(shù)創(chuàng)新，改進(jìn)了常規(guī)TDLAS測量方法，從根本上消除了氧化、腐蝕和高濕等多種環(huán)境因素對測量結(jié)果的影響，具有測量范圍大、測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、響應(yīng)快等優(yōu)點。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于TDLAS的大量程氣化H₂O₂濃度檢測儀，它包括激光系統(tǒng)、光學(xué)腔鏡、腔鏡防冷凝系統(tǒng)、腔鏡潔凈系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，可實現(xiàn)0-2000ppm濃度的氣化過氧化氫實時在線檢測，消除了傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器測量響應(yīng)滯后、高濃度測量中毒失效等缺陷。激光系統(tǒng)輸出已準(zhǔn)直的周期性低頻掃描的高頻調(diào)制窄線寬激光，作為入射激光輸入到光學(xué)腔鏡內(nèi)，光學(xué)腔鏡為一對高反射鏡構(gòu)成的腔體，內(nèi)部充滿待測氣體VHP，入射激光在內(nèi)部往返反射多次從光學(xué)腔鏡的輸出小孔射出，出射激光(攜帶有VHP濃度信息)由數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)接收并分析處理，通過自修正濃度算法，避免由于光強(qiáng)下降導(dǎo)致錯誤濃度信號，實時計算并正確顯示VHP濃度值。腔鏡防冷凝系統(tǒng)和腔鏡潔凈系統(tǒng)用于防止鏡片表面液體冷凝和維護(hù)鏡片表面潔凈，既保證了測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和長期穩(wěn)定性，又延長了使用壽命、降低了維護(hù)成本。

作為優(yōu)選，所述的激光系統(tǒng)包含可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器、溫度控制模塊、電流驅(qū)動模塊和光準(zhǔn)直模塊；其中，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器具有輸出線寬窄、功率穩(wěn)定特點，溫度控制模塊可實現(xiàn)激光器的高精度、高穩(wěn)定控制，電流驅(qū)動模塊可實現(xiàn)激光器輸出波長低頻率掃描、高頻率調(diào)制；光準(zhǔn)直模塊用于激光的準(zhǔn)直輸出。

作為優(yōu)選，所述的光學(xué)腔鏡為一對高反射曲面鏡，一對高反射鏡曲面鏡焦距f相同，沿同一光軸相向分布，鏡面中心距離D滿足：f≤D≤2f；至少存在一個高反射曲面鏡開有小孔，用于入射和出射激光。

作為優(yōu)選，高反射曲面鏡表面鍍膜材料為金，金膜外層可選鍍SiO₂薄膜，與氣化H₂O₂保持良好的材料兼容性。

作為優(yōu)選，所述的腔鏡防冷凝系統(tǒng)包括保溫層、加熱器、恒溫控制器。其主要作用在于提高高反射曲面鏡的鏡面溫度，防止鏡面在高濕度環(huán)境下出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象。上述的恒溫控制器包括溫度傳感器、溫控電路。恒溫控制器實時監(jiān)測并顯示鏡面溫度，通過反饋系統(tǒng)調(diào)節(jié)加熱器電壓、電流，從而實現(xiàn)鏡面溫度穩(wěn)定控制，保持鏡面溫度高于待測環(huán)境溫度，但低于60℃。

作為優(yōu)選，加熱器采用柔性加熱材料、陶瓷加熱材料或其他加熱材料作為加熱主體，該加熱器經(jīng)耐高溫膠無縫連接在高反射曲面鏡背面，所述的保溫層覆蓋于加熱器外部。通過對加熱器施加電壓、電流可實現(xiàn)對鏡面的加熱升溫。

作為優(yōu)選，所述的腔鏡潔凈系統(tǒng)包含過濾干燥器、氣泵、鏡面潔凈裝置及潔凈控制模塊。其中，過濾干燥器、氣泵用來提供具有一定壓力的干燥清潔空氣。

作為優(yōu)選，鏡面潔凈裝置與鏡面外邊緣密封連接，裝置上均勻設(shè)置多個出氣口，潔凈干燥的氣體從出氣孔平穩(wěn)流出，在鏡片表面形成一層均勻的氣簾層；鏡面潔凈裝置設(shè)有進(jìn)氣端和出氣端，進(jìn)氣端依次連接氣泵、過濾器，出氣端可收集多余的潔凈氣體并連接排氣管輸送至氣體處理系統(tǒng)。

作為優(yōu)選，所述的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)包含光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡、二次諧波處理模塊及數(shù)據(jù)顯示模塊。

作為優(yōu)選，所述的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)：首先、建立自修正濃度反演公式V_2f為二次諧波信號電壓，V_D為無氣體吸收位置處的光強(qiáng)信號電壓實測值，C_H2O2為氣化H₂O₂濃度值，該反演公式加入了光強(qiáng)電壓信號，消除了氣化H₂O₂高濕度環(huán)境下光強(qiáng)變化對濃度測量的影響；然后，在測量過程中，實時獲得V_2f和V_D短時間內(nèi)平均值；最后，利用測得的平均值與反演公式，線性插值，計算并顯示氣化H₂O₂濃度值。

作為優(yōu)選，為：k和b為實驗校準(zhǔn)常數(shù)，V_2f,b和V_D,b分別為二次諧波和光強(qiáng)信號電壓偏置，V_D0為無氣體吸收位置處的光強(qiáng)信號電壓初始值，即未出現(xiàn)光強(qiáng)衰減時的光強(qiáng)信號電壓值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：第一，通過結(jié)合TDLAS和波長調(diào)制技術(shù)，實現(xiàn)了VHP濃度的大量程、高精度、快速檢測；第二，通過引入腔鏡防冷凝系統(tǒng)和腔鏡潔凈系統(tǒng)，消除了在測量過程中鏡片表面水汽冷凝現(xiàn)象，保持了鏡片表面潔凈，降低了冷凝或灰塵對光強(qiáng)的影響，為后續(xù)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確計算提供了必要保障；第三，采用與VHP兼容性良好的鍍膜材料，即金和二氧化硅，降低了高濃度VHP對鏡片的氧化腐蝕作用，延長了使用壽命；第四，使用具有自修正功能的濃度反演公式，結(jié)合V_2f和V_D平均值，提高了濃度檢測的準(zhǔn)確性。另外，相對于其他TDLAS方案，無需引入雙光路差分系統(tǒng)或信號處理模塊，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2為本發(fā)明的激光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖3為本發(fā)明的采集與處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖4為本發(fā)明的光學(xué)腔鏡的結(jié)構(gòu)圖；

附圖5為本發(fā)明的腔鏡防冷凝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

附圖6為本發(fā)明的腔鏡潔凈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖中：1-激光系統(tǒng)；2-光學(xué)腔鏡；3-腔鏡防冷凝系統(tǒng)；4-腔鏡潔凈系統(tǒng)；5-數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)；101-溫度控制模塊；102-可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器；103-電流驅(qū)動模塊；104-光準(zhǔn)直模塊；201-高反射曲面鏡I；202-高反射曲面鏡Ⅱ；301-保溫層；302-加熱器；303-耐高溫膠；304-溫度傳感器；305-恒溫控制器；401-過濾干燥器；402-氣泵；403-鏡面潔凈裝置；404-潔凈控制模塊；405-氣體處理系統(tǒng)；501-光電探測器；502-數(shù)據(jù)采集卡；503-二次諧波處理模塊；504-數(shù)據(jù)顯示模塊。其中，附圖4中高反射曲面鏡開孔情況多樣，可以兩面高反射曲面鏡同時開孔，可以開偏心孔，組合非常多，這里不一一列舉，但至少存在一個高反射曲面鏡開孔。附圖5和附圖6為高反射曲面鏡I防冷凝和潔凈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，高反射曲面鏡Ⅱ防冷凝和潔凈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與附圖5和6相同，但中間無小孔。

具體實施方式

下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。

實施例1：

如圖1—6所示，一種基于TDLAS的大量程氣化H₂O₂濃度檢測儀，它包括激光系統(tǒng)1、光學(xué)腔鏡2、腔鏡防冷凝系統(tǒng)3、腔鏡潔凈系統(tǒng)4、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)5，可實現(xiàn)0—2000ppm大量程VHP濃度的實時快速檢測。

激光系統(tǒng)1包含溫度控制模塊101、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器102、電流驅(qū)動模塊103和激光準(zhǔn)直模塊104，其中，溫度控制模塊101和電流驅(qū)動模塊103均為ITC4001，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器102為1410nmDFB激光器，線寬＜3MHz、功率為10mW，激光以20Hz的三角波調(diào)制疊加4kHz的高頻正弦波調(diào)制輸出，輸出激光經(jīng)過激光準(zhǔn)直模塊104準(zhǔn)直入射到光學(xué)腔鏡2中。光學(xué)腔鏡2為一對高反射曲面鏡(I，Ⅱ)沿同一光軸相向分布排列而成，采用金或者金+SiO₂進(jìn)行鍍膜，確保其與VHP具備良好的材料兼容性，避免發(fā)生氧化腐蝕等現(xiàn)象，一對高反射曲面鏡的焦距f相同，鏡面中心距離D滿足：f≤D≤2f，且至少存在一個高反射曲面鏡開有小孔，用于入射和出射激光，該實施例中，單獨高反射曲面鏡I開有中心孔201a，用于入射和出射激光，f＝10cm，D＝18cm，整個光學(xué)腔鏡2放置在充滿VHP的環(huán)境中。入射激光在光學(xué)腔鏡2內(nèi)往返反射多次后由高反射曲面鏡I中心孔201a出射，出射激光被數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)5接收，其主要包含光電探測器501、數(shù)據(jù)采集卡502、二次諧波處理模塊503及數(shù)據(jù)顯示模塊504，光強(qiáng)信號經(jīng)探測、采集、分析后獲得V_2f和V_D平均值，利用VHP濃度反演公式可獲得并顯示VHP濃度值。其中，k和b為實驗校準(zhǔn)常數(shù)，V_2f,b和V_D,b分別為二次諧波和光強(qiáng)信號電壓偏置，V_D0為無氣體吸收位置處的光強(qiáng)信號電壓初始值，即未出現(xiàn)光強(qiáng)衰減時的光強(qiáng)信號電壓值。所使用的光電探測器501、數(shù)據(jù)采集卡502、二次諧波處理模塊503分別為InGaAs探測器、PCI6229、SRS830鎖相放大器。腔鏡防冷凝系統(tǒng)3包括保溫層301、加熱器302、恒溫控制器305，恒溫控制器305包括溫度傳感器304、溫控電路，加熱器302經(jīng)耐高溫膠303無縫連接在高反射曲面鏡背面，保溫層301覆蓋于加熱器302外部。在VHP測量過程中，通過溫控電路調(diào)節(jié)加熱器電壓、電流，從而實現(xiàn)鏡面溫度穩(wěn)定控制，保持鏡面溫度高于待測環(huán)境溫度，但最好低于60℃，作用在于提高高反射曲面鏡的鏡面溫度，防止鏡面在高濕度環(huán)境下出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象。加熱器302采用柔性加熱材料、陶瓷加熱材料或其他加熱材料作為加熱主體，經(jīng)耐高溫膠303無縫連接在高反射曲面鏡I、Ⅱ背面，外部由保溫層301覆蓋，防止熱量向外散去。腔鏡潔凈系統(tǒng)4包含過濾干燥器401，氣泵402，鏡面潔凈裝置403，潔凈控制模塊404和氣體處理系統(tǒng)405。鏡面潔凈裝置403為空芯圓環(huán)體，與鏡面外邊緣密封連接，裝置上均勻設(shè)置多個出氣口和進(jìn)氣口確保在鏡片表面形成一層均勻的氣簾層3a，鏡面潔凈裝置設(shè)有進(jìn)氣端和出氣端，進(jìn)氣端依次連接氣泵402、過濾干燥器401，出氣端可收集多余的潔凈氣體并連接排氣管輸送至氣體處理系統(tǒng)405，所有模塊由潔凈控制模塊404控制。在VHP測量過程中，腔鏡潔凈系統(tǒng)4提供一定壓力的干燥清潔空氣，在高反射曲面鏡I，Ⅱ表面形成一層薄薄的氣流層，用來干燥清潔鏡片表面。

上述具體實施方式用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。