(19)国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202123036256.2 (22)申请日 2021.12.0 6 (73)专利权人 中国科学院合肥物质科 学研究院 地址 230031 安徽省合肥市蜀山区蜀山湖 路350号 (72)发明人 赵卫雄　周家成　张杨　徐学哲　 方波　张为俊　 (74)专利代理 机构 合肥和瑞知识产权代理事务 所(普通合伙) 34118 专利代理师 王挺 (51)Int.Cl. G01N 21/55(2014.01) G01N 21/01(2006.01) (54)实用新型名称 一种高灵敏度的气体测量装置 (57)摘要 本实用新型公开了一种高灵敏度的气体测 量装置， 包括： 光源组件、 光学谐振腔、 光信号接 收模块、 电信号处理模块、 数据采集计算模块和 气路组件； 光源组件作为气体测量装置的探测光 源； 光学谐振腔作为气体测量装置的气体吸收 池， 包括PFA管、 设置于PFA管两侧端面用于密封 的高反射率透镜、 设置于PFA管上的两个气孔； 光 信号接收模块作为光信号的检测器件， 包括滤光 片和探测器； 电信号处理模块包括处理电路和锁 相放大器， 用于电流转换和放大解调； 数据采集 计算模块用于信号采集和计算； 气路组件包括气 体过滤器、 三通电磁阀、 粒子过滤器、 质量流量计 和微型隔膜泵。 本实用新型的气体测量装置， 设 备体积小、 成本低、 时间响应快、 探测精度高。 权利要求书2页 说明书7页 附图3页 CN 217542865 U 2022.10.04 CN 217542865 U 1.一种高灵敏度的气体测量装置， 其特征在于， 包括： 光源组件(10)、 光学谐振腔(20)、 光信号接收模块(3 0)、 电信号处 理模块(40)、 数据采集计算模块(5 0)； 所述光源 组件(10)包括用于发射探测光的激光器(101)； 所述激光器(101)发射的探测 光入射进所述 光学谐振腔(20)； 所述光学谐振腔(20)用于盛装气体； 所述光学谐振腔(20)包括PFA管(202)， 所述P FA管 (202)的两侧端面分别设有用于密封的高反射率透镜， 即第一高反射率透镜(2011)和第二 高反射率透镜(2012)， 探测光从第一高反射率透镜(2011)入射； 所述PFA管(202)的上设有 两个气孔， 即进气口(20 31)和出气口(20 32)； 所述光信号接收模块(30)作 为光信号的检测器件； 所述光信号接收模块(30)接收所述 第二高反射率透镜(2012)出射的光并转换为电信号， 即生成探测信号； 所述光信号接收模 块(30)与电信号处 理模块(40)连接， 将探测信号传输 至电信号处 理模块(40)； 所述电信号处理模块(40)包括锁相放大器(402)； 所述锁相放大器(402)用于对探测信 号进行解调， 得到解调后的信号； 所述电信号处理模块(40)与数据采集计算模块(50)连接， 将探测信号和解调后的信号均传输 至数据采集计算模块(5 0)； 所述数据采集计算模块(50)包括数据采集卡(501)和计算机(502)； 所述数据采集卡 (501)用于信号采集， 并输入进所述计算机(5 02)， 所述计算机(5 02)用于进行计算和存 储； 还包括气路组件(6 0)； 所述气路组件(60)包括沿气体传输方向依次设置的气体过滤器(601)、 三通电磁阀 (602)、 粒子过滤器(603)、 质量流量计(604)和微型隔膜泵(605)； 所述气体过滤器(601)用 于滤除样气中的待测成分得到背 景气； 所述三通电磁阀(602)一侧输入口连接样气， 另一侧 输入口连接所述气体过滤器(601)； 所述三通电磁阀(602)的常开口即输出口连接所述粒子 过滤器(603)， 所述粒子过滤器(603)用于去除气体中存在的气溶胶颗粒； 所述粒子过滤器 (603)的输出口连接所述光学谐振腔的进气口(2031)， 过滤后的气体依次流经所述光学谐 振腔的进气口(2031)和出气口(2032)； 所述光学谐振腔的出气口(2032)连接所述质量流量 计(604)的输入口， 所述质量流量计(604)用于控制出气口(2032)的流速大小； 所述质量流 量计(604)的输出口与所述微型隔膜泵(605)的输入口连接； 所述微型隔膜泵(605)作为动 力源， 用于所述 光学谐振腔(20)内气体的置换。 2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的气体测量装置， 其特征在于， 所述激光器 (101)的输出端沿光传播方向依次设置光学隔离器(102)和小孔 光阑(103)。 3.根据权利要求2所述的一种高灵敏度的气体测量装置， 其特征在于， 所述激光器 (101)是一个中心波长为405nm的二极管激光器， 最大TTL调制频率为10MHz， 下降沿小于 30ns； 所述 光学隔离器(102)在40 5nm处的隔离效率 为30dB。 4.根据权利 要求1所述的一种高灵敏度的气体测量装置， 其特征在于， 所述PFA管(202) 的外径为1/2英寸， 内径为3/8英寸； 两个高反射率透镜的反射率均大于99.98％， 两个高反 射率透镜之间距离为 47.5cm； 两个气孔 为对称设置， 气体流向可以互换。 5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的气体测量装置， 其特征在于， 所述光信号接收 模块(30)包括沿光传播方 向依次设置的滤光片(301)和探测器(302)； 所述滤光片(301)用 于滤除探测光以外的杂散光， 所述探测器(302)用于将光信号转换成电流信号； 所述电信号 处理模块(40)包括处理电路(401)和锁相放大器(402)； 所述探测器(302)与处理电路(401)权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 217542865 U 2电连接， 将电流信号传输至处理电路(401)； 所述处理电路(401)用于将电流信号转换为电 压信号； 所述处理 电路(401)与锁相放大器(402)电连接， 将电压信号传输至锁相放大器 (402)； 所述锁相放大器(402)用于进行信号解调得到解调后的信号； 所述处理电路(401)和 锁相放大器(402)均与数据采集卡(501)电连接， 分别将电压信号和解调后的信号传输给数 据采集卡(501)。 6.根据权利要求5所述的一种高灵敏度的气体测量装置， 其特征在于， 所述滤光片 (301)为中心波长405nm， 带宽10nm的窄带滤光片； 所述探测器(302)为增益可调的电流型输 出探测器， 采用探测波段为3 00‑650nm的光电倍增管。 7.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的气体测量装置， 其特征在于， 所述锁相放大器 （402） 与所述激光器(101)电连接， 锁相放大器(402)输出一个频率可调的TTL信号加载在激 光器(101)上， 用于实现激光器(101)的调制。 8.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的气体测量装置， 其特征在于， 所述光源组件 (10)、 光学谐振腔(20)和光信号接收模块(30)之间的光路均为自由空间光， 包含的所有器 件均安装于笼式结构中。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 217542865 U 3