CN108279209A - 一种波长范围以及波长连续可调谐的多气体检测系统 - Google Patents
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Abstract
一种波长范围以及波长连续可调谐的多气体检测系统，包括光纤激光器、声光调制器、准直器、气体吸收池、光电探测器、光谱信号分析模块、激光驱动控制模块和射频驱动系统；光纤激光器、声光调制器、准直器、气体吸收池和光电探测器依次设置；光纤激光器与激光驱动控制模块的输出端连接，光电探测器与光谱信息分析模块相连；射频驱动系统与声光调制器和光谱信号分析模块连接；声光调制器与频率合成器产生，频率合成器与光谱信号分析模块中的微处理器连接。该系统分析速度快；转换速度快；检测激光波长可连续调谐；可实时在线检测，亦可远传分析监控；检测稳定性、准确性好；造价成本低，只需要一个可调谐激光器即可完成大多数气体成分的检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于多种气体检测的系统，采用一种波长范围可连续调谐光纤激光器以及光纤耦合声光调制器组合结构实现波长可连续调谐多气体检测，属于激光气体检测技术领域。
背景技术
在气体光谱吸收领域，可调谐二极管激光吸收光谱分析(Tunable diode laserabsorption spectroscopy,TDLAS)是一种高灵敏度、高分辨率和快速响应的气体检测技术，广泛用于工业流程中的气体监控、环境大气检测以及科学研究等领域。
在对多种气体成分的浓度进行检测时，都希望能够同时测量多种气体成分的光谱吸收线。现有的红外调谐激光器的缺点是调谐范围有限，一般在200cm-1的量级，快速电流调谐宽度约1-2cm-1，在实际的气体检测应用中，通常通过电流调谐方式实现对检测气体光谱吸收线进行快速检测，但是，在现有的可调谐激光器的调谐范围较小，通常不能覆盖所有气体吸收的激光波长；而由于温度调谐无法实现快速调谐，通过对半导体激光器进行温度调谐的方法实现对多条光谱吸收线的检测时，用时较长。实际应用中，一般需要为每种需要检测的气体同工作的多路技术，目前用于多组分检测技术的多路技术可以分为三种，分别是时分多路技术、波分多路技术和分频调制多路技术。
时分多路技术是最直接的方法，它是从一系列的激光器中选择出对应测量气体对应波长的测量光束导入到检测光路，顺序检测多种气体的浓度；波分多路技术是将不同波长的激光光束通过波分复用器或者光纤合束器进行组合，组合后的多光束沿相同的光路通过吸收池，初设光束利用分光光学元件进行分光，不同波长的光束在不同方向被探测器接收，实现多分组气体的同时检测；频调制技术就是利用相敏检测的窄带滤波特点，对多台激光器用不同频率的正弦电流信号进行调制，然后将激光束进行合束，沿相同的光路通过气体吸收池，最后聚焦在同一检测器上。再通过对信号在相应的频率上进行解调，即可从合束信号中提取额分离出各个波长激光器的贡献，从而分析出其对应气体成分的浓度大小。
波分多路技术解决了多组分气体同时检测的检测速度慢的问题，但实际此种方法与多套仪器检测系统相比并没有改善了很多，只不过是共用了一个气体吸收池和检测路线而已。而且，合束器或波分复用器和分离的分光元件也降低了系统的紧凑型和稳定性，衍射元件的使用还可能引入噪声和偏差。分频调制多路技术存在的主要问题是需要消除检测通道间的交叉干扰以及多路激光数目上受到限制。相比以上两种方法，时分多路技术在检测系统结构上十分简单，只需要一个探测器、一套检测装置和一套信号处理系统，检测气体多组分数量也没有限制。但是传统时分多路技术大多是机械结构进行光束光源的转换，这就使其测量的效率大大下降，且此种方法使光强的稳定性较差。而且，传统的时分多路技术因为激光源的限制并不能连续、快速且准确的检测某时刻的多组分气体浓度。
现在大多采用的多组分气体检测技术是由若干个中心波长不同的DFB激光器(分布反馈激光器)构成组合式多波长光源，由该组合式多波长光源发射的多路检测激光经波分复用器或者光纤合束器合束后，由池前多模光纤将合束检测激光自入光口传播并导入装有被检测气体的气体吸收池中，合束检测激光在气体吸收池中经多次反射后自出光口射出，再由池后多模光纤导向探测器，探测器将各种气体吸收谱线光信号转换为电信号，经过前置放大器和锁相放大器的运算，获得气体吸收信号的一次和二次谐波，最后利用谐波强度实现气体浓度的测量。
上述现有多气体检测技术大多利用相同的原理，利用波分复用器或者光纤合束器将多光路耦合进一根单芯多模光纤，该光纤通向气体吸收池进行多波长激光同时吸收检测。
然而，上述方法在实现多气体同时检测时存在以下几种缺陷：
1.多路不同波长检测激光通过波分复用器后，都会发生不同程度的衰减，而且，被耦合的波长不同的激光束数越多，衰减也就越严重；
2.多个激光光源同时使用时，占用体积较大，对检测环境的要求较严苛；
3.受环境温度的影响较大，半导体激光器输出激光的波长亦受温度的影响，会造成一定的误差；
4.检测激光波长不连续，在不改变仪器构件的基础上，可检测气体固定，仪器的可移植性差。
发明内容
本发明针对现有多气体组份检测技术存在的不足，提供一种结构简单、适应复杂测量环境、气体检测灵敏度高且灵活性强的波长范围以及波长连续可调谐的多气体检测系统。
本发明的波长范围以及波长连续可调谐的多气体检测系统，采用以下技术方案：
该系统，包括光纤激光器、声光调制器、准直器、气体吸收池、光电探测器、光谱信号分析模块、激光驱动控制模块和射频驱动系统；光纤激光器、声光调制器、准直器、气体吸收池和光电探测器依次设置；光纤激光器与激光驱动控制模块的输出端连接，光电探测器与光谱信息分析模块相连；射频驱动系统与声光调制器和光谱信号分析模块连接；声光调制器与频率合成器产生，频率合成器与光谱信号分析模块中的微处理器连接。
激光驱动控制模块控制光纤激光器发出的激光波长范围，光纤激光器发出的激光经过声光调制器调制成气体成分对应的波长，然后经准直器导入气体吸收池，再被激光探测器接收，激光探测器将接受的光信号转换成电信号并将电信号传输给光谱信息分析模块，光谱分析模块对接受的电信号进行分析处理，得到与气体浓度相关的电信号，以此来表征气体吸收池中各种组份气体的浓度信息。
所述光纤激光器为波长范围可调谐激光器。
所述激光驱动控制模块包括控制扫描电路、恒温电路和保护电路，控制扫描电路使输出激光的波长在波长范围内扫描，温控电路用于稳定激光器的温度，排除温度对输出激光的波长的影响。
所述气体吸收池可调节光程，设有进气口和出气口。
所述光谱信号分析模块包括依次连接的前置放大器、锁相放大器、模数转换器和微处理器。
本发明的多气体检测系统，还包括终端设备，光谱信号分析模块通过有线或无线方式将气体浓度数据远距离传输至终端设备。
本发明采用快速的波长范围连续可调节的激光光源结合声光调制器对检测激光的波长进行调节，即可实现大范围波长连续可调谐，从而实现对大部分的气体成分进行检测的目的。波长调节的可连续性和超宽范围赋予了这种检测系统极强的灵活性与可移植性，可适应几乎所有组分气体的检测。
本发明提出的声光调制技术的分光原理与其他分光技术相比，具有分辨率高，全固化器件牢固，分光迅速及任意波长切换等优点。本发明的优点主要体现在：
1.检测激光波长范围可连续调谐，覆盖了大部分气体对应波长；
2.分辨率高，全固化器件牢固，分光迅速及任意波长切换
3.采用AOTF技术进行波长选择，波长可任意选择、光谱扫描速度快；
4.分时复用同一光源同一气室的一个光程，不仅可缩小仪器体积，减少可动部件，降低了系统的复杂程度，实现更好的自动控制；。
5.可实时在线检测，亦可远传分析监控；
6.检测稳定性、准确性好，避免了温度的影响；
7.造价成本低，减少光源数量，简化了气室设计与光路，缩小了分析仪的体积，降低了样气的消耗量和温控系统的能量消耗。
附图说明
图1是本发明波长范围以及波长连续可调谐的多气体检测系统的原理图。
图中：1.光谱信号分析模块，2.射频驱动系统，3.激光驱动控制模块，4.光纤激光器，5.声光调制器(AOTF)，6.准直器(准直透镜)，7.气体吸收池,8.光电探测器,9.前置放大器,10.锁相放大器，11.数模转换器，12.控制扫描电路，13.恒温电路，14.保护电路，15.微处理器，16.频率合成器。
具体实施方式
本发明的波长范围以及波长连续可调谐的多气体检测系统，如图1所示，包括波长范围可调谐的光纤激光器4、声光调制器5、准直器6、气体吸收池7、光电探测器8、光谱信号分析模块1、激光驱动控制模块3和射频驱动系统2。
气体吸收池7设有进气口和出气口。气体吸收池7的前方设置有准直器6，准直器6的前方设置有声光调制器5，声光调制器5的前方设置有光纤激光器4，光纤激光器4与激光驱动控制模块3连接，声光调制器5与射频驱动系统2连接，气体吸收池7的后方设置有光电探测器8,光电探测器8与光谱信号分析模块1连接。
光谱信号分析模块1包括依次连接的前置放大器10、锁相放大器11、模数转换器12和微处理器15。
激光驱动控制模块3用于控制光纤激光器4发出的激光波长范围，激光驱动控制模块3包括控制扫描电路(电流扫描电路)12、恒温电路13和保护电路14，其中的控制扫描电路12使输出激光的波长在发出的激光波长范围内扫描。恒温电路13用于稳定激光器4的温度，避免温度对输出激光的波长的影响。
本发明在多气体组分分析中，影响检测光线频率的主要部件为射频驱动系统2，其主要包括射频发生通道、功率放大器和射频开关等。微处理器15接受控制、解译上位机下发的各种命令，并通过执行命令控制整个射频驱动系统2的工作状态。射频发生通道包括信号发生器、射频变压器、LC低通滤波器和低噪声放大器，信号发生器输出信号的开关、频率和幅度均由微处理器15控制。射频信号经滤波放大后输出，再由功率放大器放大至驱动声光调制器5所需的功率范围，通过切换射频开关选择合适的压电换能器，将射频信号加载至AOTF晶体中，完成对声光调制器5的控制，调制出所需波长的激光，用于气体成分浓度检测分析。
本发明主要部件为声光调制器(声光可调谐滤波器，AOTF)5。声光调制器5基于声光效应的原理，当一束宽光谱通过一个高频振动的具有光学弹性元件的晶体时，某一波长的单色光会在晶体内部产生衍射，以一定角度从晶体中透射出来。当晶体的振动频率发生改变时，衍射光的波长也随之改变。在实际应用中通过晶体表面的压电换能器将射频信号转换为晶体内部的超声波。
声光调制器5调制所用的信号由频率合成器16产生，频率合成器16与微处理器15连接。所述调制频率为气体吸收红外光最强的频率(f1、f2、……fk)为5KHz～40KHz。
解调频率为nf1、nf2、nf3……nfk,优选n＝2，即二次谐波解调技术。
根据矢量合成关系，可以由以下关系：
式中：
fe→o—入射e光衍射为出射o光的射频驱动频率
fo→e—入射o光衍射为出射e光的射频驱动频率
λ—衍射波长
θi—入射光入射角
θa—超声波入射角
no(λ)—o光的折射角
ne(λ，θ)—e光的折射率
va—超声波速度，由AOTF材料决定
推导得出AOTF射频驱动频率与衍射波长调谐关系：
θi—入射角度
θd—衍射角度
V—声速
ni—关于θi的函数
nd—关于θd的函数
f—声频率
λ—真空波长
由上述公式可知当AOTF加工完成后，衍射波长仅受射频驱动频率控制。改变射频驱动频率即可改变响应的衍射波长。
本发明的系统进行多气体检测的具体过程如下所述：
本发明使用不同的调制频率(f1、f2、……fk)进行激光器的驱动信号调制，并使用不同的解调频率(nf1、nf2、……nfk)作为参考信号在锁相放大器进行解调。k为k种气体组份。检测不同气体使用不同的调制频率，经AOTF筛选出特定波长光线，再通过准直器6进行准直，与气体吸收池7的光学模式匹配。
利用波长扫描控制电路12使光纤激光器4可以在可调谐范围内进行波长的扫描，再利用声光调制器5的电调谐的方式从复杂的光纤激光器4光源宽光谱中滤出被测气体所需波长的光谱。将滤出气体特定吸收波长的光与被测气体相互作用，光强衰减，进而照射到光电探测器8上，将光电探测器8接收的光电信号依次经过前置放大器10、锁相放大器11和模数转换器12，进行前置放大滤波去噪和微弱信号处理(信号放大和模数转换)，进而得到与气体浓度相关的电信号，以此来表征气体吸收池中各种组份气体的浓度信息。
光谱信号分析模块1中的微处理器15通过有线或无线方式将气体浓度数据远距离传输至终端设备，并进行下一种气体成分的频率调制。
本发明采用快速的波长范围连续可调节的激光光源结合声光调制器对检测激光的波长进行调节，即可实现大范围波长连续可调谐，从而实现对大部分的气体成分进行检测的目的。波长调节的可连续性和超宽范围赋予了这种检测系统极强的灵活性与可移植性，可适应几乎所有组分气体的检测。
以某一调制频率(f1、f2、……fk)加载到激光驱动控制模块3上，让光路中心通过声光调制器5，给射频驱动系统2施加电信号，控制声光调制器5工作，即筛选所需工作红外基频，出射光束由准直器6耦合到气体吸收池7中，经过反射之后入射到光电探测器8上，将光电探测器8接收的光电信号进行前置放大滤波去噪，所得的透射信号传送到锁相放大器11。根据要检测的谐波次数，锁相放大器11依据调制频率选择不同解调频率nfk进行解调。解调之后的信号发经过三通道的ADC转换器12传送到微处理器15，由嵌入式的算法程序完成浓度反演，完成气体的浓度推演。当要检测其它气体组分时，通过调制不同的频率与筛选不同波长的红外光，分时复用同一检测通道，进行另一种气体组分的检测。
本发明具有以下特点：
1.采用波长范围连续可调谐的光纤激光器配合声光激光器提供检测激光，波长覆盖范围宽，可检测气体的种类多；
2.激光光源有温控系统，使激光光源的温度保持在某一合适温度，避免了温度对光谱波长的影响，且本发明缩小了分析仪的体积，温控系统的能量消耗减少，温度控制也更均匀稳定。
3.本发明大幅简化光学系统设计。传统的TDLAS分析仪一种分析物使用一个气室或一个光程。本发明使用一个光程，无需多个光源，也无须转动部件，降低了系统的机械复杂程度；节省了气室个数，简化了气室设计。
4.气室采用多反射原理增加光程，从而提高了系统检测的灵敏度，更换气室或改变气室长度，可实现不同的量程和灵敏度的要求；
5.系统采用AOTF技术进行波长选择，只要其气体特征吸收谱线再AOTF可选择的波长范围内均可检测，不针对某一固定气体成分，可移植性强。
6.加快了检测的速度；
7.采用调制解调和锁相放大的微弱信号处理技术，实现降低闪烁噪声(1/f噪声)的效果。
Claims (5)
1.一种波长范围以及波长连续可调谐的多气体检测系统，其特征是：包括光纤激光器、声光调制器、准直器、气体吸收池、光电探测器、光谱信号分析模块、激光驱动控制模块和射频驱动系统；光纤激光器、声光调制器、准直器、气体吸收池和光电探测器依次设置；光纤激光器与激光驱动控制模块的输出端连接，光电探测器与光谱信息分析模块相连；射频驱动系统与声光调制器和光谱信号分析模块连接；声光调制器与频率合成器产生，频率合成器与光谱信号分析模块中的微处理器连接；
激光驱动控制模块控制光纤激光器发出的激光波长范围，光纤激光器发出的激光经过声光调制器调制成气体成分对应的波长，然后经准直器导入气体吸收池，再被激光探测器接收，激光探测器将接受的光信号转换成电信号并将电信号传输给光谱信息分析模块，光谱分析模块对接受的电信号进行分析处理，得到与气体浓度相关的电信号，以此来表征气体吸收池中各种组份气体的浓度信息。
2.根据权利要求1所述的波长范围以及波长连续可调谐的多气体检测系统，其特征是：所述光纤激光器为波长范围可调谐激光器。
3.根据权利要求1所述的波长范围以及波长连续可调谐的多气体检测系统，其特征是：所述激光驱动控制模块包括控制扫描电路、恒温电路和保护电路，控制扫描电路使输出激光的波长在波长范围内扫描，温控电路用于稳定激光器的温度，排除温度对输出激光的波长的影响。
4.根据权利要求1所述的波长范围以及波长连续可调谐的多气体检测系统，其特征是：所述光谱信号分析模块包括依次连接的前置放大器、锁相放大器、模数转换器和微处理器。
5.根据权利要求1至4任一项所述的波长范围以及波长连续可调谐的多气体检测系统，其特征是：还包括终端设备，所述光谱信号分析模块通过有无或无线方式将气体浓度数据远距离传输至终端设备。
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