本發明涉及氣體濃度檢測，尤其是涉及一種基于積分球氣室的激光拉曼氣體濃度檢測裝置和方法。

背景技術：

1、氣體成分分析和濃度檢測作為現代科學技術領域中的一項關鍵性技術，在環境保護、工業安全、能源管理和科學研究等領域都具有重要作用。在環境保護領域，通過精確測量氣體成分，可以實時監測有害物質，同時控制溫室氣體排放，促進空氣質量改善。在工業生產中，實時監測氣體濃度有助于預防有毒或可燃氣體泄漏事故，從而保障生產安全、降低安全隱患。對于天然氣及其他能源管理，氣體成分和濃度檢測可以優化燃料利用率，減少浪費，提升能源使用效率。在科學研究方面，通過檢測和分析氣體數據，可以揭示自然現象的規律和機制，推動科學技術的進步。

2、常用于氣體成分和濃度檢測的光譜技術有多種，拉曼光譜是一種基于分子振動信息分析氣體成分和反演濃度的技術。通過檢測分子與激光的非彈性散射信號，獲取關于氣體分子的特征頻率信息，從而實現氣體的定性和定量分析。拉曼光譜技術的優勢在于多組分分析、快速響應和適用范圍廣，在環境監測、工業過程控制和科學研究中具有廣泛的應用潛力。常用的氣體拉曼光譜技術有多種，常規拉曼光譜裝置簡單、易調節、穩定性高，適用于多個領域的氣體分析和檢測，但是常規拉曼光譜的激發和收集效率有限，導致拉曼散射信號較弱，難以對痕量氣體進行檢測。在常規拉曼光譜的基礎上提高收集效率，可以在保留技術優勢的同時，進一步提高檢測靈敏度和準確度，從而拓展常規拉曼光譜的應用范圍。

3、公告號為cn107831142b的中國專利公開了一種光散射共焦激發收集系統，其包括:2n個光學反射器件，2n個光學反射器件具有同一個焦點，來自所述焦點的發散光在被第一個光學反射器件反射后，能夠依次被其余光學反射器件反射，并至少再一次通過所述焦點。本發明的光散射共焦激發收集系統能夠將激發光源經若干個光學器件多次重復反射乃至聚焦于焦點，增加激發光源利用效率，同時能夠對焦點向立體空間發出的光散射信號進行高效收集。

4、但是上述已公開方案存在如下不足之處：目前激光拉曼氣體濃度測量方式主要包括常規拉曼光譜、腔增強拉曼光譜、光纖增強拉曼光譜以及表面增強拉曼光譜等。常規拉曼光譜利用激光直接照射樣品，操作簡單，可應用于氣體成分分析、化學反應監測、環境監測等。腔增強拉曼光譜通過在光腔內反復反射激光，顯著提高檢測靈敏度，適合檢測低濃度氣體成分。光纖增強拉曼光譜通過與光纖傳感器結合，能夠實現遠程測量，適用于難以到達的環境。表面增強拉曼光譜利用金屬納米顆粒等增強基底，提高分子的拉曼散射信號，具有較高的靈敏度，適合極低濃度氣體的檢測。雖然各種拉曼光譜都具有獨特的優勢，但是目前仍缺乏裝置簡單、靈敏度較高的拉曼光譜測量方法。

5、目前常用的幾種激光拉曼氣體濃度測量方法雖然適用場景不同，但均存在一定的局限性。常規拉曼光譜裝置簡單，通常只在單個方向收集散射光，靈敏度有限，難以進行低濃度氣體檢測。腔增強拉曼光譜通過增加光路徑長度提高信號強度，但是其光路結構復雜，且焦點位置的激光能量較高，對于易燃易爆的氣體存在安全隱患。光纖增強拉曼光譜便于遠程測量，但是遠距離光纖傳輸可能引起信號損失。表面增強拉曼光譜具有較高的靈敏度，但是實驗條件復雜，且對樣品的要求較高。

技術實現思路

1、本部分的目的在于概述本發明的實施例的一些方面以及簡要介紹一些較佳實施例。在本部分以及本發明的說明書摘要和發明名稱中可能會做些簡化或省略以避免使本部分、說明書摘要和發明名稱的目的模糊，而這種簡化或省略不能用于限制本發明的范圍。

2、本發明的目的是針對背景技術中存在的技術問題，本發明提出一種基于積分球氣室的激光拉曼氣體濃度檢測裝置和方法，本發明采用一個高反射率的積分球氣室，從相互正交的三個不同方向對散射光信號進行收集，并利用光纖耦合技術將不同方向的散射光信號進行合束，顯著提高了散射光信號的收集效率和氣體拉曼光譜信號強調，本發明結構簡單，可操作性強，與常規拉曼光譜測量方法相比，具有更高的準確度、靈敏度和實用性。

3、本發明提出了一種基于積分球氣室的激光拉曼氣體濃度檢測裝置，包括積分球，所述積分球外弧面貫穿連接有對接接頭，對接接頭外端面安裝連接有輸出接頭，輸出接頭一端連接有光線輸出口，積分球外弧面貫穿連接有單向出氣閥，單向出氣閥連通方向朝向所述積分球外弧面外部，積分球外弧面連接有進氣部件，積分球外弧面連接有散射部件，散射部件另一端連接有聚焦部件。

4、通過采用上述技術方案，本方案通過輸出接頭的結構能夠實現本裝置對于氣體受到光線照射后產生的變化現象進行視頻采集的效果，通過對接接頭的結構能夠在保證能夠對積分球內部的實時狀態進行視頻采集的同時保證了積分球的密封性。

5、優選的，所述散射部件包括與所述積分球外弧面貫穿連接的連接管，連接管側面貫穿轉動連接有轉軸，轉軸一端連接有轉動把手，轉軸另一端連接有指針。

6、通過采用上述技術方案，本方案通過轉軸與轉動把手的組合能夠實現本裝置對散射效果進行調節的效果。

7、優選的，所述連接管外弧面連接有刻度盤，所述轉軸貫穿刻度盤中心處，所述指針朝向所述刻度盤方向，所述轉軸外弧面連接有棱鏡，棱鏡設置在所述連接管內部，所述棱鏡位于所述連接管內部中心處，棱鏡呈三角形。

8、通過采用上述技術方案，本方案通過刻度盤與指針的組合能夠便于在進行轉動傾斜調節時準確控制傾斜角度，同時刻度盤與指針的組合能夠便于工作人員進行讀數。

9、優選的，所述聚焦部件包括與所述連接管遠離所述積分球的一端連接的滑動管，滑動管側面設有滑動凹槽，滑動凹槽內壁滑動連接有控制桿，控制桿兩側連接有對稱的阻擋板，阻擋板寬度大于所述滑動凹槽寬度。

10、通過采用上述技術方案，本方案通過滑動凹槽與控制桿的組合能夠有效的提高本裝置的滑動調節準確性，同時阻擋板的結構能夠防止外部光源從滑動凹槽處進入到本裝置內部。

11、優選的，所述控制桿連接有滑動凹透鏡，所述滑動管內部靠近所述連接管的一側連接有固定凸透鏡，所述滑動管遠離連接管的一端設有限位凹槽。

12、通過采用上述技術方案，本方案通過滑動凹透鏡的結構能夠實現本裝置光源變焦的效果，從而能夠通過對焦點位置的調節，實現對光源處于積分球內部的光線強度進行調節。

13、優選的，所述限位凹槽呈l字型，所述滑動管內壁轉動連接有發光源，發光源朝向所述棱鏡方向，所述發光源外弧面連接有限位件，限位件與所述限位凹槽內壁滑動連接。

14、通過采用上述技術方案，本方案通過l型限位凹槽的結構能夠快速穩定的對發光源進行止鎖，從而在本裝置使用時不會因為發光源發生意外晃動導致檢測結果出現誤差。

15、一種基于積分球氣室的激光拉曼氣體濃度檢測方法，包括以下步驟：

16、s1安裝發光源步驟，該步驟通過將發光源伸入滑動管內部，進而實現發光源安裝固定，在發光源伸入時，限位件與限位凹槽對齊，當限位件伸入到限位凹槽底部時，此時轉動發光源能夠是的限位件在限位凹槽內部橫向滑動，實現發光源止鎖效果；

17、s2加入待檢測氣體步驟，該步驟通過對接環與對接管的組合將外部待檢測氣體樣品與本設備對接，在對接完成后，開啟控制閥門，當外界待檢測氣體壓力大于大氣壓強時，此時待檢測氣體自動進入到積分球內部空間，此時積分球內部多余空氣從單向出氣閥排出，保證了積分球內部空氣壓力平衡，在經過一段時間氣體輸入后關閉控制閥門；

18、s3調節散射步驟，該步驟通過轉動把手帶動轉軸轉動，從而帶動棱鏡進行傾斜角度轉動，從而能夠改變光源照射到棱鏡表面時的夾角大小，從而能夠實現對光源的散射效果，經過散射的光源能夠折射到積分球內弧面表面，在經過球形反射在積分球內部往復反射，形成光源矩陣；

19、s4調節焦點步驟，該步驟通過滑動控制桿結構能夠調節固定凸透鏡與滑動凹透鏡之間的間距，進而改變發光源的聚焦焦點位置，當焦點正好位于棱鏡表面時，此時積分球內部光線強度最高，當通過控制桿使得發光源出現虛焦情況時，此時積分球內部光線強度下降；

20、s5檢測氣體步驟，該步驟通過輸出接頭結構對經過光線照射的氣體樣品在光線環境下產生的丁達爾反應，進行視頻信息采集，進而分析得出當前氣體樣品的具體成分。

21、所述調節焦點步驟，該步驟當中控制桿兩側的阻擋板長度大于所述滑動管側面滑動凹槽長度，在控制桿進行滑動調節時，阻擋板能夠始終對滑動凹槽開口位置進行阻擋，從而保證了滑動管內部的密封效果，避免了外部光源環境對滑動管內部的檢測結果產生影響。

22、綜上所述，本發明包括以下至少一種有益效果：

23、本發明中通過積分球氣室具有高耐腐蝕性和高強度，可以對多種氣體組分進行同步檢測，并且可以加壓測量，利用外部增壓系統提高積分球氣室內的氣體壓強，從而進一步提高拉曼散射信號強度。