CN100489499C - 一种半导体激光吸收光谱气体分析方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体激光吸收光谱气体分析方法，所述方法包括以下步骤：a.确定半导体激光器的工作温度范围和工作电流范围；b.确定半导体激光器的输出光频率范围，在该光频率范围内选择至少两条被测气体的吸收谱线，并确定与吸收谱线对应的工作温度区间；c.测得半导体激光器的工作环境温度T，确定半导体激光器的工作温度和拟使用的被测气体的吸收谱线；d.根据半导体激光器的工作温度和拟使用的吸收谱线，确定并调整半导体激光器的工作电流；e.半导体激光器发出的光穿过被测气体并被传感器接收；对接收到的光信号进行吸收光谱分析，得到被测气体的被测参数并显示。本发明还公开了一种用于实现上述方法的半导体激光吸收光谱气体分析系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体参数分析方法及系统，更具体地说，涉及一种利用半导体激光气体吸收光谱分析气体参数的方法及系统。
背景技术
半导体激光吸收光谱气体分析技术是一种广泛应用的气体分析技术。该技术通常使用单模半导体激光器，单模半导体激光器发射出的频率与被测气体某一吸收谱线中心频率相同的光束穿过被测气体时，被测气体的这一吸收谱线对测量光束能量的吸收导致测量光强度的衰减。半导体激光穿过被测气体的光强衰减可用Beer-Lambert关系准确表述：
Iv＝Iv，0T(v)＝Iv，0exp[-S(T)g(v-v0)PXL]
Iv，0和Iv分别表示频率为v的激光入射时和经过压力P、浓度X和光程L的气体后的光强，S(T)表示气体吸收谱线的谱线强度，线形函数g(v-v0)表征该吸收谱线的形状。由Beer-Lambert关系可知，光强度的衰减与被测气体含量、温度、压力等相关，因此，通过测量光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的相关参数。
例如，在已知被测气体的压力P、温度T、光程L和某一气体吸收谱线的谱线强度S(T)时，可通过测量出该气体吸收谱线的吸收光谱，然后利用上述Beer-Lambert关系来测量气体的浓度。再例如，利用上述Beer-Lambert关系测量出同一气体成分的两条被测气体吸收谱线的吸收光谱，从而测量获得该谱线对的线强之比。该谱线对在温度为T时的线强之比为：
其中，S(T0)为参考温度T0下被测吸收谱线的线强，h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数，E＂为吸收谱线跃迁对应的低能级能量，下标1、2分别对应谱线对中的两条谱线。由上式可见，线强比值R是温度T的函数。因此，通过测量比值R就可以测量气体温度T。该比值与谱线对的下能级差有关，因此，谱线对的选择会直接影响气体温度的测量精度，选择合理的谱线对于气体温度测量至关重要。
为了测量获得气体吸收谱线的吸收光谱信号，需要把半导体激光的频率调到被测气体的某一吸收谱线的中心频率处(固定频率分析技术)或扫描过被测气体吸收谱线(频率扫描分析技术)，整个测量过程中，始终使用该吸收谱线。如图1所示，单模半导体激光器如DFB、DBR、VCSEL等的输出频率随温度增加而单调减小，随电流增加也单调减小。因此，改变半导体激光器输出光频率的方法通常有两种，一是通过改变半导体激光器的工作温度(通常指半导体激光器座的温度，而不是结温)，另一种是通过改变半导体激光器的工作电流。通常，第一种方法的时间响应慢一些，但频率调整范围大一些，第二种方法的时间响应快一些，但频率调整范围小一些。通常，半导体激光吸收光谱气体分析技术通过设置合适的半导体激光器工作温度和工作电流使半导体激光器的光频率位于被测气体吸收谱线的中心频率处。如果采用频率扫描测量技术，则同时给半导体激光器注入一定频率的锯齿波或三角波电流使光频率扫描过整条吸收谱线来获得完整的高分辨率吸收光谱信号。
为保证半导体激光器在稳定的工作温度下工作，上述吸收光谱气体分析技术一般使用半导体热电制冷器(TEC)，通过控制其工作电流来稳定半导体激光器的工作温度。它能以0.001摄氏度的精度将半导体激光器加热或冷却，其温控范围可达60℃。
半导体热电制冷器是利用珀耳帖(Peltier)于1834年所观察到的，将电流以不同方向通过双金属片所构成的结时能对与其相接触的物体制冷或加热的所谓珀耳帖效应而实现的。现在的半导体热电制冷器是利用两块重掺不同类型杂质的半导体使之在电学上串联、热学上并联所构成的热电偶。需要对半导体激光器降温时，其冷端从半导体激光器座处吸收热并将热排放到周围环境中；需要对半导体激光器加热时，TEC从周围环境吸收热并将热传递到半导体激光器座处。
从热负载抽运热量的速率取决于TEC模块所含热电偶的数量、通过电流的大小、模块的平均温度以及其两端的温差。从热端所散出的总功率可表示为：
上式中，QC为从热电制冷器冷端抽运的热功率；ITEC和V分别为加于热电制冷器上的电流和压降；E为热电制冷器的性能系数。
图2给出了一种典型热电制冷器的抽运热功率QC和性能系数E、驱动电流ITEC的关系。由图可见，若需在冷和热端产生40℃的温差，需要在热电制冷器上加3A的电流才能从热负载上抽运5W的热功率。在工作点所对应的性能系数只有35％，由上式可知，总热耗散功率为19W，可见，实现5w的制冷功率需要额外消耗电路能量14W。
尽管采用半导体热电制冷器能够较精确地控制半导体激光器的工作温度，但该方案也具有以下不足：1)在气体分析过程中，利用TEC把半导体激光器的工作温度设定在固定值，不管半导体激光器所处环境的温度变化。当工作环境温度和半导体激光器固定的温度的差别较大时，如工作环境温度是-5℃、50℃，而分析系统在出厂前半导体激光器设置的稳定温度为20℃，半导体激光器需要加热或制冷，使半导体激光器和工作环境的温差为25℃或30℃，此时TEC的工作电流和功耗都较大，这在便携或其他对功耗有要求的应用场合是个较大的缺点；2)很多应用场合需要分析系统具有防爆功能，但TEC工作可能需要的大工作电流导致无法或较难实现本安防爆设计。上述缺点限制了使用TEC的半导体激光吸收光谱气体分析系统的应用领域。
发明内容
为了解决现有技术中的上述不足，本发明提供了一种低功耗、易于实现本安和隔爆等防爆功能的半导体激光吸收光谱气体分析方法及系统。
本发明的目的是通过下述技术方案得以实现的：
一种半导体激光吸收光谱气体分析方法，所述方法包括以下步骤：
a.确定半导体激光器的工作温度范围和工作电流范围；
b.确定半导体激光器的输出光频率范围，在该光频率范围内选择至少两条被测气体的吸收谱线，并确定与吸收谱线对应的工作温度区间；
c.测得所述半导体激光器的工作环境温度T，确定半导体激光器的工作温度和拟使用的被测气体的吸收谱线；
d.根据所述半导体激光器的工作温度和拟使用的吸收谱线，确定并调整所述半导体激光器的工作电流；
e.所述半导体激光器发出的光穿过被测气体并被传感器接收；对接收到的光信号进行吸收光谱分析，得到被测气体的被测参数并显示。
在气体分析过程中，重复所述步骤c、d和e。
当采用加热方式时，所述步骤c为：当所述工作环境温度T在一所述工作温度区间内时，确定所述工作环境温度T为半导体激光器的工作温度，或通过加热使半导体激光器的工作温度高于所述工作环境温度T并处在工作温度区间内，所述工作温度所处的工作温度区间对应的吸收谱线为拟使用的吸收谱线；当所述工作环境温度T不在所述工作温度区间内时，通过加热使所述半导体激光器的工作温度进入到一工作温度区间内，该工作温度区间对应的吸收谱线为拟使用的吸收谱线。
当采用加热和制冷方式时，所述步骤c为：当所述工作环境温度T处在所述工作温度区间内时，确定所述工作环境温度T为半导体激光器的工作温度，或通过加热/制冷使半导体激光器的工作温度处在工作温度区间内，所述工作温度所处的工作温度区间对应的吸收谱线为拟使用的吸收谱线；当所述工作环境温度T不在所述工作温度区间内时，通过加热或制冷方式使半导体激光器的工作温度进入到一工作温度区间内，该工作温度区间对应的吸收谱线为拟使用的吸收谱线。
作为优选，当所述工作环境温度T不在所述工作温度区间内时：如果工作环境温度T处在两相邻工作温度区间中的能耗相等温度的低温侧，采用制冷方式使所述半导体激光器的工作温度进入到位于低温侧的工作温度区间内；如果处在高温侧，采用加热方式使所述半导体激光器的工作温度进入到位于高温侧的工作温度区间内。
所述能耗相等温度是把半导体激光器制冷到该温度低温侧的工作温度区间的上限和加热到高温侧的工作温度区间的下限时所耗费能量相同时的温度。
作为优选，当被测参数是浓度时，还对测得的被测气体浓度值X测进行补偿，补偿后的被测气体浓度X补为：X补＝K内·K外·X测’K内为同一工作温度区间内的气体浓度补偿系数，K外为跨工作温度区间的气体浓度补偿系数。
所述同一工作温度区间的气体浓度补偿系数K内由实验确定：测得所述半导体激光器在同一工作温度区间内的不同工作温度下的气体浓度值，以一参考工作温度下的浓度值为参考值，确定把该工作温度区间内其它温度对应的浓度值补偿到参考值的系数，得到在该工作温度区间内与温度相对应的补偿系数K内。
所述跨工作温度区间的气体浓度补偿系数K外由实验确定：测得所述半导体激光器在不同工作温度区间内的参考工作温度下的气体浓度值，以一工作温度区间内的参考工作温度下的浓度值为参考值，确定把其它工作温度区间内参考工作温度下测得的浓度值补偿到参考值的系数，得到与工作温度区间相对应的补偿系数K外。
为实现上述方法，本发明还公开了一种半导体激光吸收光谱气体分析系统，包括光发射单元、光接收单元和分析单元，所述光发射单元包括半导体激光器、测量半导体激光器工作温度的测温元件和控制装置；所述光发射单元还包括用于监控半导体激光器工作环境温度并与所述控制装置相连接的测温元件。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：1)由于考虑到了半导体激光器所处工作环境的温度，并根据工作环境温度去确定半导体激光器的工作温度，从而可使半导体激光器工作温度与工作环境温度的差别较小，降低了TEC的工作电流和功耗；2)应用此方法的气体分析系统的工作电流和功耗都更小，使用自备电源时工作时间较长，发出的热量较小，易实现热设计，进而实现了气体分析系统的小型化和便携化，如开发手持式气体分析装置，拓展气体分析系统的应用领域；3)分析系统的工作电流较小，易于实现本安防爆。
附图说明
图1是一半导体激光器的输出频率与工作温度、工作电流关系图；
图2给出一TEC的工作参数关系示意图；
图3是本发明的一种气体浓度分析系统的结构示意图；
图4是实施例1中的发明方法的流程示意图；
图5是实施例1中的半导体激光器工作温度区间示意图；
图6是同一工作温度区间内的补偿系数与工作温度关系图；
图7是本发明的一种气体流速分析系统的结构示意图；
图8是实施例2中的发明方法的流程示意图；
图9是多普勒频移示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
如图3所示，一种半导体激光吸收光谱甲烷浓度分析系统，包括光发射单元、光接收单元11和分析单元12。该分析系统采用激光频率扫描吸收光谱分析技术。
所述光发射单元包括半导体激光器1、激光器座2、热敏电阻3和5、电流源9、驱动电路8、控制装置7、加热块4及其驱动电路6。半导体激光器1安装在激光器座2上，热敏电阻3安装于激光器座2上接近半导体激光器1的位置，监测半导体激光器1的工作温度，热敏电阻3的信号送入控制装置7，经控制装置7处理后去控制半导体激光器1的工作电流及温度。控制装置7根据输入的热敏电阻3信号，判断半导体激光器是否工作于指定温度。热敏电阻5用于测得半导体激光器所处工作环境的温度。半导体激光器1的工作电流由电流源9提供，电流源9的驱动电路8由直流偏置电路81和交流信号发生电路82组成。直流偏置电路81产生一个直流信号，用于控制半导体激光器1的平均工作电流，调整半导体激光器1的输出中心频率；交流信号发生电路82产生一个三角波电流(峰峰值为0.71mA，频率为1Hz)，使半导体激光器1的输出频率扫过被测甲烷的吸收谱线，同时该电路还在上述三角波电流上叠加一正弦波电流(峰峰值为0.17mA，频率为1kHz)，用于实现二阶调制吸收光谱。
一种半导体激光吸收光谱甲烷浓度分析方法，也即上述甲烷浓度分析系统的工作过程，如图4所示，所述方法包括以下步骤：
a.确定半导体激光器的工作温度范围和工作电流范围。
针对该甲烷浓度分析系统的应用领域，所述半导体激光器的工作环境温度范围为[T1，T2]，本实施例为[5℃，55℃]。虽然由于分析系统中的电子部件会产生热量，导致半导体激光器1的所处的工作环境温度会比分析系统的工作环境温度略高一些，但可以近似为相同。
选择的半导体激光器的额定工作温度范围为[T3，T4]，应使T4≥T2。当T3≤T1时，所述半导体激光器的工作温度范围为[T1，T4]。当T3>T1时，所述半导体激光器的工作温度范围为[T3，T4]，此时，当半导体激光器的工作环境温度低于额定工作温度范围的下限时，通过所述加热块使半导体激光器1的工作温度位于额定工作温度范围内。本实施例选择一VCSEL型半导体激光器，额定工作温度范围为[0℃，65℃]。由前述工作温度范围的定义可知，半导体激光器的工作温度范围为[5℃，65℃]。
所述半导体激光器1的工作电流范围为[3mA，7mA]，其中3mA是半导体激光器工作的阈值电流，7mA是额定最大工作电流。
b.确定半导体激光器在所述工作温度和电流范围内的最大输出光频率范围，根据被测气体的吸收谱线特性，在所述最大输出光频率范围内选择至少两条合适的被测气体吸收谱线；根据半导体激光器的工作电流范围，确定与所述选择的任一吸收谱线对应的并处在所述半导体激光器的工作温度范围内的工作温度区间，使在所述工作温度区间内时可通过调节半导体激光器的工作电流使半导体激光器的输出光频率对应于所述吸收谱线。相邻的不连续的二个工作温度区间间是无吸收谱线温度区间；把所述划分出的工作温度区间及其对应的吸收谱线的光谱数据、无吸收谱线温度区间存储在所述控制装置内。
上述合适谱线指的是针对该甲烷分析系统的应用场合，对于需要的甲烷浓度分析功能来说性能较好的谱线，如没有背景气体干扰、谱线线强足够强等。上述谱线也可以是靠近的若干谱线的集合，或重叠的若干谱线组成的谱线族。
所述半导体激光器1的频率-电流和频率-温度特性都是非线性的，其输出光频率的电流、温度特性可以用下式描述：
v＝v0-k1I-k2I2-k3T-k4T2…
近似为：v≈v0-kII-kT·T
所述半导体激光器1的具体参数为：v0＝6055.2cm-1；kI＝1.295cm-1/mA，kT＝0.478cm-1/℃。在半导体激光器1的工作温度范围[5℃，65℃]和工作电流范围[3mA，7mA]内，半导体激光器1的最大输出光频率范围为：[6014.98cm-1，6048.93cm-1]。
如图5所示，在[6014.98cm-1，6048.93cm-1]频率范围内，甲烷的合适谱线共有4条，针对每一谱线，根据半导体激光器1的工作电流范围[3mA，7mA]，确定与该谱线对应的最大工作温度区间，见表一。
表一
| 谱线 | 中心频率(cm<sup>-1</sup>) | 工作温度区间(℃) | 参考工作温度(℃) | 参考工作电流(mA) |
| 1 | 6015.67 | 63.7-65 | 65 | 6.53 |
| 2 | 6026.24 | 41.6-52.5 | 45 | 5.75 |
| 3 | 6036.61 | 19.9-30.8 | 25 | 5.14 |
| 4 | 6046.91 | 5-9.2 | 5 | 4.56 |
可见，工作温度区间[63.7℃，65℃]不在半导体激光器的工作环境温度范围[5℃，55℃]内，但为了使在半导体激光器工作环境温度范围内的温度范围(52.5℃，55℃]内有可使用的被测气体的吸收谱线，故而保留吸收谱线1。
在半导体激光器1的工作温度范围[5℃，65℃]内划分出与上述4条吸收谱线分别对应的四个工作温度区间和三个无吸收谱线温度区间(9.2℃，19.9℃)、(30.8℃，41.6℃)、(52.5℃，55℃]。温度区间(55℃，63.7℃)不在半导体激光器的工作环境温度范围内，无需考虑。
倘若所述半导体激光器的工作环境温度范围为[5℃，52℃]，虽然在半导体激光器的工作温度范围[5℃，65℃]内对应有四条甲烷的吸收谱线，但由表一可知，吸收谱线2对应的工作温度区间已经包含了工作环境温度的最大值52℃，所以只选用吸收谱线2、3、4即可。
在选择谱线时还要考虑到在被测环境中有没有其他气体谱线的干扰等诸多因素。另外，为了减少测量的复杂度，通常选取的谱线数目也不宜太多。例如，在上述半导体激光器的工作温度范围内有四条甲烷的吸收谱线，但是吸收谱线4有较大的背景气体交叉干扰，因此，可以只选择谱线1、2和3，而把吸收谱线4剔除掉。这样，原本在工作温度区间[5℃，9.2℃]内对应的是吸收谱线4，但由于其他原因剔除掉了吸收谱线4，故而温度区间[5℃，9.2℃]也变成了无吸收谱线温度区间。
c.测得所述半导体激光器的工作环境温度T，当所述工作环境温度T在所述工作温度区间内时，确定所述工作环境温度T为半导体激光器的工作温度，或通过加热使半导体激光器的工作温度高于所述工作环境温度T并处在工作温度区间内，所述工作温度所处的工作温度区间对应的吸收谱线为拟使用的吸收谱线；当不在时，通过加热使所述半导体激光器的工作温度进入到工作温度区间内，该工作温度区间对应的吸收谱线为拟使用的吸收谱线。
通常情况下，当测得的工作环境温度T处于一所述的工作温度区间内时，确定与该工作温度区间对应的被测气体的吸收谱线为拟使用的吸收谱线，同时所述工作环境温度T作为半导体激光器的工作温度Twork。
根据热敏电阻5测得所述半导体激光器1的工作环境温度为18℃，由上述可知，与工作环境温度18℃对应的是无吸收谱线温度区间(9.2℃，19.9℃)。此时，控制装置7控制所述加热块4工作，同时通过热敏电阻3监控，从而使所述半导体激光器1的工作温度升高，如至24℃，进入到步骤b中划分出的工作温度区间，如[19.9℃，30.8℃]，该工作温度区间与吸收谱线3对应，即吸收谱线3为拟使用的吸收谱线。
如热敏电阻5测得所述半导体激光器1所处环境的温度为45℃，该温度处在工作温度区间[41.6℃，52.5℃]内，吸收谱线2为拟使用的吸收谱线，同时半导体激光器的工作温度为45℃。
如热敏电阻5测得所述半导体激光器1所处环境的温度为53℃，该温度处在无吸收谱线温度区间(52.5℃，55℃]内，但可以利用加热块4使半导体激光器的工作温度Twork升高，如至65℃(该温度已经超出所述半导体激光器的工作环境温度范围)，加热后的温度65℃进入工作温度区间[63.7℃，65℃]内，该工作温度区间与吸收谱线1对应，即吸收谱线1为拟使用的吸收谱线。
可见，在半导体激光器的工作环境温度范围[5℃，55℃]内任一温度，都可以确定出拟使用的吸收谱线。
本实施例是根据半导体激光器工作环境温度所在的温度区间，确定出拟使用的被测气体的吸收谱线，而不是把半导体激光器的工作温度始终设定在高温工作区间[63.7℃，65℃]，只利用该高温工作区间所对应的被测气体吸收谱线1。这样，就避免了使半导体激光器始终工作在高温区间，从而延长了半导体激光器的使用寿命。
d.根据半导体激光器的工作温度Twork和步骤c确定的吸收谱线，确定和调整半导体激光器的工作电流，使半导体激光器的输出光频率对应于由步骤b确定的拟使用的吸收谱线。
根据步骤c中的半导体激光器1被加热后的工作温度Twork为24℃，所在的工作温度区间为[19.9℃ 30.8℃]，表一给出了与该工作温度区间对应的参考工作温度Tref和参考工作电流Iref分别为25℃和5.14mA；在上述参考工作温度和电流情况下的半导体激光器1的输出光频率位于吸收谱线3的中心频率处。
半导体激光器1被加热后的工作温度为24℃时，根据半导体激光器1的输出频率-温度和输出频率-电流特性，确定和调整半导体激光器1的直流工作电流：
从而使所述半导体激光器1的输出光频率扫描过吸收谱线3。上述过程都是在控制装置7内完成。
e.半导体激光器发出的光穿过被测气体并被接收；对接收到的光信号进行吸收光谱分析，得到被测气体的被测参数并显示。
所述半导体激光器1发出的激光穿过被测甲烷10后被光接收单元11接收；把接收到的光信号送分析单元12获得二阶调制吸收光谱并进行分析，利用常规方法得到被测甲烷10的浓度。
对于常规的控制半导体激光器温度为常温的二阶调制吸收光谱分析技术，其浓度测量公式为：
X测＝K(S2f/I0)(B(Pref，Tref，Sref)/B(P，T，S))，
其中S2f是二次谐波信号峰峰值，I0为光强信号的直流分量，参数B(P，T，S)用于修正二次谐波信号峰峰值随被测气体温度T、压力P和线强S的变化(包含了气体温度变化导致的线强变化和不同谱线之间的线强变化)，可由基础光谱数据计算得到，也可根据实验测得，系数K是与仪器相关的标定系数，它由通入已知浓度的气体标定获得。
对于本发明提出的对半导体激光器工作温度分区间而非控制为常温的技术方案，还需对测得的被测气体浓度值进行补偿，具体公式为：
X补＝Ki，内Ki，外K(S2f/I0)(Bi(Pref，Tref，Sref)/Bi(P，T，S))＝Ki，内(Twork)Ki，外X测，
其中下标i给出半导体激光器的工作温度落在第i个工作温度区间内，Bi(P，T，S)用于修正采用与第i个工作温度区间对应的吸收谱线时的二次谐波信号峰峰值与被测气体温度、压力和线强的变化关系，Ki，内是同一工作温度区间内的气体浓度补偿系数，用于补偿半导体激光器在第i个工作温度区间内任意工作温度时的测得浓度值与工作温度为该温度区间内的参考工作温度Ti，ref时的浓度值的相对变化；Ki，外是跨工作温度区间的气体浓度补偿系数，用于补偿采用与不同工作温度区间对应的不同吸收谱线导致的测得浓度值的相对变化。
如表二所示，在所述半导体激光器1的一个工作温度区间内改变半导体激光器工作温度，如19.9℃到30.8℃之间，以某一温度如25℃为基准，记录不同工作温度下分析系统的测得浓度值，实验结果表明补偿前浓度误差小于±2％。如表三所示，在所述半导体激光器1的不同工作温度区间内，如5℃到65℃之间，以25℃为基准，也即不同谱线对应的浓度测量误差在补偿前小于±3％。浓度误差由半导体激光的工作状态如工作电流等的微小差异所致。为了得到更高的测量精度，需根据上述浓度补偿公式对所述测得浓度值进行补偿。
所述同一工作温度区间内的补偿系数Ki，内由以下方法确定：实验测得半导体激光器1在某一工作温度区间如[19.9℃，30.8℃]内的参考工作温度如25℃和其他一些工作温度如23℃、24℃、29℃和30℃时的被测气体浓度值X，在这些工作温度时的补偿系数Ki，内为在参考工作温度下测得浓度与这些工作温度下测得浓度的比值；对在这些离散工作温度下的补偿系数进行线性或者高阶拟合(如图6所示)，就可得到在这一工作温度区间内的补偿函数Ki，内(Twork)，把得到的所述补偿函数存储进所述分析单元12。当测得所述半导体激光器的工作温度Twork，就可以根据所述补偿函数Ki，内(Twork)得到与所述Twork对应的补偿系数。
实验结果表明，根据上述浓度补偿方法，采用三阶拟合，不同工作温度下的浓度误差小于0.1％。
所述跨工作温度区间的气体浓度补偿系数Ki，外可通过如下方法获得：实验测得在半导体激光器1的不同工作温度区间内的参考工作温度如5℃、25℃和45℃时的被测气体浓度X，对应这些工作温度区间的气体浓度补偿系数Ki，外为25℃时测得浓度与在上述不同参考工作温度下测得浓度的比值，把得到的所述补偿系数存储进所述分析单元12。
表二：同一工作温度区间内的浓度测量补偿
| 电流(mA) | 工作温度(℃) | 测得浓度(％) | 浓度误差(％) | 补偿系数K<sub>i，内</sub> |
| 6.62 | 21 | 1.274 | 1.839 | 0.982 |
| 6.25 | 22 | 1.268 | 1.359 | 0.987 |
| 5.87 | 23 | 1.262 | 0.879 | 0.991 |
| 5.50 | 24 | 1.257 | 0.480 | 0.995 |
| 5.14 | 25 | 1.251 | 0 | 1 |
| 4.77 | 26 | 1.246 | -0.400 | 1.004 |
| 4.40 | 27 | 1.241 | -0.800 | 1.008 |
| 4.03 | 28 | 1.237 | -1.119 | 1.011 |
| 3.66 | 29 | 1.232 | -1.518 | 1.015 |
| 3.29 | 30 | 1.23 | -1.679 | 1.017 |
表三：不同工作温度区间的浓度测量补偿
| 参考工作温度(℃) | 测得浓度(％) | 误差(％) | 补偿系数K<sub>i，外</sub> |
| 65 | 1.216 | -2.798％ | 1.0288 |
| 45 | 1.225 | -2.078 | 1.0212 |
| 25 | 1.251 | 0 | 1 |
| 5 | 1.282 | 2.478 | 0.9758 |
根据步骤b中半导体激光器的工作温度被加热为24℃，依据常规方法测得甲烷的浓度值为：X测＝2.11％。还需对测得的浓度值进行补偿：X补＝Ki，内(Twork)Ki，外X测，工作温度24℃处于工作温度区间[19.9℃，30.8℃]内，分析单元12调用该工作温度区间内的补偿函数，得到与工作温度24℃对应的同一工作温度区间的气体浓度补偿系数K内＝0.995，跨工作温度区间的气体浓度补偿系数K外＝1，故而得到补偿浓度值为X补＝2.10％，得到的补偿浓度值显示在所述分析单元12的显示屏上。
在分析气体过程中，重复上述步骤c、d和e。如，在上次测量完成之后，还要利用热敏电阻5测得半导体激光器的工作环境温度，并根据测得的温度决定所述加热块4是否需要工作。如测得工作环境温度下降到8℃，处在工作温度区间[5℃，9.2℃]内，此时加热块4停止工作，半导体激光器的工作温度从24℃冷却到8℃，进而利用吸收谱线4。如测得工作环境温度为35℃，与该温度对应的是无吸收谱线温度区间(30.8℃，41.6℃)，则加大所述加热块4的加热功率，使所述半导体激光器1的工作温度从24℃升高到进入工作温度区间[41.6℃，52.5℃]内，如45℃，与该工作温度区间对应的吸收谱线为谱线2，根据加热后的工作温度45℃和吸收谱线2，进而确定和调整所述半导体激光器1的工作电流，从而得到被测甲烷的浓度。
所述控制装置7还记录热敏电阻3测得的半导体激光器1的工作温度，用于补偿后续浓度计算结果。
实施例2：
如图7所示，一种半导体激光吸收光谱甲烷流速分析系统，包括光发射单元、光接收单元11(本实施例采用传感器)和分析单元12。该分析系统采用激光频率扫描吸收光谱分析技术。
所述流速测量系统与实施例1中甲烷浓度分析系统不同的是：半导体激光器1发出的光通过透镜14射入被测管道13内，激光束与被测气体流向的夹角为α＝45°，激光束穿过透镜15后被传感器11接收。不再使用加热块4，而使用半导体热电制冷器41。交流信号发生电路82产生一个三角波电流(峰峰值为0.77mA，频率为1Hz)，使半导体激光器1的输出频率扫过被测甲烷的吸收谱线，同时该电路还在上述三角波电流上叠加一正弦波电流(峰峰值为0.19mA，频率为1kHz)，用于实现二阶调制吸收光谱。
一种半导体激光吸收光谱甲烷流速分析方法，也即上述甲烷流速分析系统的工作过程，如图8所示，所述方法包括以下步骤：
a.确定半导体激光器的工作温度范围和工作电流范围。
针对该甲烷流速分析系统的应用领域，所述半导体激光器的工作环境温度范围为[T1，T2]，本实施例为[5℃，55℃]。虽然由于分析系统中的电子部件会产生热量，导致半导体激光器1的所处的工作环境温度会比分析系统的工作环境温度略高一些，但可以近似为相同。
本实施例选择一VCSEL型半导体激光器，额定工作温度范围为[0℃，65℃]。由于使用了半导体热电制冷器41，故而半导体激光器的工作温度范围可设定为[5℃，55℃]。
所述半导体激光器1的工作电流范围为[3mA，7mA]，其中3mA是半导体激光器工作的阈值电流，7mA是额定最大工作电流。
b.确定半导体激光器在所述工作温度和电流范围内的输出光频率范围，根据被测气体的吸收谱线特性，在所述输出光频率范围内选择至少两条合适的被测气体吸收谱线；根据半导体激光器的工作电流范围，确定与所述选择的任一吸收谱线对应的并处在所述半导体激光器的工作温度范围内的工作温度区间，使在所述工作温度区间内时可通过调节半导体激光器的工作电流使半导体激光器的输出光频率对应于所述吸收谱线。不衔接的相邻工作温度区间间是无吸收谱线温度区间。把所述划分出的工作温度区间及其对应的吸收谱线的光谱数据、无吸收谱线温度区间存储在所述控制装置内。
上述合适谱线指的是针对该甲烷分析系统的应用场合，对于需要的甲烷浓度分析功能来说性能较好的谱线，如没有背景气体干扰、谱线线强足够强等。上述谱线也可以是靠近的若干谱线的集合，或重叠的若干谱线组成的谱线族。
所述半导体激光器1的频率-电流和频率-温度特性都是非线性的，其输出光频率的电流、温度特性可以用下式描述：
v＝v0-k1I-k2I2-k3T-k4T2…
近似为：v≈v0-kII-kT·T
所述半导体激光器1的具体参数为：v0＝6055.2cm-1；kI＝1.295cm-1/mA，kT＝0.478cm-1/℃。在半导体激光器1的工作温度范围[5℃，55℃]和工作电流范围[3mA，7mA]内，半导体激光器1的最大输出光频率范围为：[6019.76cm-1，6048.93cm-1]。
如图5所示，在[6019.76cm-1，6048.93cm-1]频率范围内，甲烷的合适谱线共有3条，针对每一谱线，根据半导体激光器1的工作电流范围[3mA，7mA]，确定与该谱线对应的工作温度区间，见表四。
表四
| 谱线 | 中心频率(cm<sup>-1</sup>) | 工作温度区间(℃) | 参考工作温度(℃) | 参考工作电流(mA) |
| 2 | 6026.24 | 41.6-52.5 | 45 | 5.75 |
| 3 | 6036.61 | 19.9-30.8 | 25 | 5.14 |
| 4 | 6046.91 | 5-9.2 | 5 | 4.56 |
在半导体激光器1的工作温度范围[5℃，55℃]内有与上述3条吸收谱线分别对应的三个工作温度区间和三个无吸收谱线温度区间(9.2℃，19.9℃)、(30.8℃，41.6℃)、(52.5℃，55℃]。
c.测得所述半导体激光器的工作环境温度T，确定半导体激光器的工作温度和拟使用的吸收谱线。
具体为：当采用加热和制冷方式时，所述步骤c为：当所述工作环境温度T处在所述工作温度区间内时，确定所述工作环境温度T为半导体激光器的工作温度，或通过加热/制冷使半导体激光器的工作温度处在工作温度区间内，所述工作温度所处的工作温度区间对应的吸收谱线为拟使用的吸收谱线；当不在时，通过加热或制冷方式使半导体激光器的工作温度进入到工作温度区间内，该工作温度区间对应的吸收谱线为拟使用的吸收谱线。
通常情况下，当所述工作环境温度T不在所述工作温度区间内时：如果工作环境温度T处在相邻两工作温度区间间的能耗相等温度的低温侧，采用制冷方式使所述半导体激光器的工作温度进入到低温侧的工作温度区间内；如果处在能耗相等温度的高温侧，采用加热方式使所述半导体激光器的工作温度进入到高温侧的工作温度区间内。
所述能耗相等温度是把该温度制冷到低温侧的工作温度区间的上限和加热到高温侧的工作温度区间的下限时所耗费能量相同的温度。
根据热敏电阻5测得所述半导体激光器1的工作环境温度T为18℃，由上述可知，与工作环境温度18℃对应的是无吸收谱线温度区间(9.2℃，19.9℃)，该无吸收谱线温度区间内的能耗相等点是13.5℃。工作环境温度18℃处在能耗相等点的右侧，此时，控制装置7控制所述半导体热电制冷器41工作，同时通过热敏电阻3监控，从而使所述半导体激光器1的工作温度升高，如至24℃，进入到步骤b中划分出的工作温度区间，如[19.9℃，30.8℃]，工作温度区间[19.9℃，30.8℃]与吸收谱线3对应，即吸收谱线3为拟使用的吸收谱线。如测得的工作环境温度T为12℃，则是处在能耗相等点的左侧，此时，控制装置7控制所述半导体热电制冷器41工作，使半导体激光器的工作温度下降到能耗相等点左侧的工作温度区间内，如[5℃，9.2℃]，该工作温度区间对应的吸收谱线4为拟使用的吸收谱线。
如热敏电阻5测得所述半导体激光器1的工作环境温度T是20℃，此温度T在工作温度区间[19.9℃，30.8℃]内，该温度作为半导体激光器的工作温度Twork，与所述工作温度区间[19.9℃，30.8℃]对应的吸收谱线3为拟使用的吸收谱线。
如热敏电阻5测得所述半导体激光器1的工作环境温度T是53℃，此温度T在无吸收谱线温度区间(52.5℃，55℃]内，此时，通过所述半导体热电制冷器41使所述半导体激光器的工作温度下降到工作环境温度左侧的工作温度区间内，如温度为52℃，处在工作温度区间[41.6℃，52.5℃]内，与该工作温度区间对应的吸收谱线2为拟使用的吸收谱线。
可见，在半导体激光器的工作环境温度范围[5℃，55℃]内任一温度，都可以确定出拟使用的吸收谱线。
d.根据半导体激光器的工作温度Twork和步骤c确定的吸收谱线，确定和调整半导体激光器的工作电流，使半导体激光器的输出频率对应于由步骤b确定的拟使用的吸收谱线。
根据步骤c中的半导体激光器1被加热后的工作温度Twork为24℃，所在的工作温度区间为[19.9℃，30.8℃]，表四给出了与该工作温度区间对应的参考工作温度Tref和参考工作电流Iref分别为25℃和5.14mA；在上述参考工作温度和电流情况下半导体激光器1的输出光频率位于吸收谱线3的中心频率处。
半导体激光器1被加热后的工作温度为24℃时，根据半导体激光器1的输出频率-温度和输出频率-电流特性，确定和调整半导体激光器1的直流工作电流：
从而使所述半导体激光器1的输出光频率扫描过吸收谱线3。上述过程都是在控制装置7内完成。
e.半导体激光器1发出的光穿过被测甲烷并被传感器11接收；对接收到的光信号进行吸收光谱分析，进而得到被测甲烷的流速并显示。
当输出频率为v0的激光束穿过流速为V的甲烷，甲烷分子吸收谱线中心频率产生多普勒频移(Doppler-shift)，多普勒频移量由下式描述：
ΔvDoppler为多普勒频移量，α为激光束与甲烷流向的夹角，v0是甲烷吸收谱线的中心频率，c是光速。
测量出吸收谱线的多普勒频移量就可计算出甲烷的流速V：
如图9所示，图中实线代表频移前的波形，虚线为频移后的波形；测得多普勒频移量ΔvDoppler＝2.573×10-3cm-1，进而得到流速为83.34m/s并显示。
在测量管道内甲烷流速的过程中，重复所述步骤c、d和步骤e。每次都重新测得半导体激光器的工作环境温度，并根据工作环境温度去确定半导体激光器的工作温度，并使用热电制冷器41去稳定所述工作温度。
需要指出的是，上述实施方式不应理解为对本发明保护范围的限制。在实施例中，当测得的半导体激光器的工作环境温度处在工作温度区间内时，该工作环境温度为半导体激光器的工作温度，当然也可以去加热或制冷半导体激光器，使工作温度为工作环境温度所处的工作温度区间内的其他温度或进入其他工作温度区间内。本发明的关键是，测得所述半导体激光器的工作环境温度T，并根据该温度去确定半导体激光器的工作温度，进而确定与该工作温度所在的一工作温度区间相对应的吸收谱线为拟使用的吸收谱线。该方法并不固定使用某一条吸收谱线，如果所述半导体激光器的工作环境温度T发生了改变，重复以上过程，于是总是可以选择并使用最佳的吸收谱线。在不脱离本发明精神的情况下，对本发明作出的任何形式的改变均应落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1、一种半导体激光吸收光谱气体分析方法，所述方法包括以下步骤：
a.确定半导体激光器的工作温度范围和工作电流范围；
b.确定半导体激光器的输出光频率范围，在该光频率范围内选择至少两条被测气体的吸收谱线，并确定与吸收谱线对应的工作温度区间；
c.测得所述半导体激光器的工作环境温度T，确定半导体激光器的工作温度和拟使用的被测气体的吸收谱线；
d.根据所述半导体激光器的工作温度和拟使用的吸收谱线，确定并调整所述半导体激光器的工作电流；
e.所述半导体激光器发出的光穿过被测气体并被传感器接收；对接收到的光信号进行吸收光谱分析，得到被测气体的被测参数并显示。
2、根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：在气体分析过程中，重复所述步骤c、d和e。
3、根据权利要求1或2所述的分析方法，其特征在于：当采用加热方式时，所述步骤c为：当所述工作环境温度T处在所述工作温度区间内时，确定所述工作环境温度T为半导体激光器的工作温度，或通过加热使半导体激光器的工作温度高于所述工作环境温度T并处在工作温度区间内，所述工作温度所处的工作温度区间对应的吸收谱线为拟使用的吸收谱线；当所述工作环境温度T不在所述工作温度区间内时，通过加热使所述半导体激光器的工作温度进入到一工作温度区间内，该工作温度区间对应的吸收谱线为拟使用的吸收谱线。
4、根据权利要求1或2所述的分析方法，其特征在于：当采用加热和制冷方式时，所述步骤c为：当所述工作环境温度T处在所述工作温度区间内时，确定所述工作环境温度T为半导体激光器的工作温度，或通过加热/制冷使半导体激光器的工作温度处在工作温度区间内，所述工作温度所处的工作温度区间对应的吸收谱线为拟使用的吸收谱线；当所述工作环境温度T不在所述工作温度区间内时，通过加热或制冷方式使半导体激光器的工作温度进入到一工作温度区间内，该工作温度区间对应的吸收谱线为拟使用的吸收谱线。
5、根据权利要求4所述的分析方法，其特征在于：当所述工作环境温度T不在所述工作温度区间内时：如果工作环境温度T处在两相邻工作温度区间中的能耗相等温度的低温侧，采用制冷方式使所述半导体激光器的工作温度进入到位于低温侧的工作温度区间内；如果处在高温侧，采用加热方式使所述半导体激光器的工作温度进入到位于高温侧的工作温度区间内。
6、根据权利要求5所述的分析方法，其特征在于：所述能耗相等温度是把半导体激光器制冷到该温度低温侧的工作温度区间的上限和加热到高温侧的工作温度区间的下限时所耗费能量相同时的温度。
7、根据权利要求1或2所述的分析方法，其特征在于：当被测参数是浓度时，还对测得的被测气体浓度进行补偿，补偿后的被测气体浓度X补为：X补＝K内·K外·X测，K内为同一工作温度区间内的气体浓度补偿系数，K外为跨工作温度区间的气体浓度补偿系数，X测为测得的被测气体浓度值。
8、根据权利要求7所述的分析方法，其特征在于：所述同一工作温度区间的气体浓度补偿系数K内由实验确定：测得所述半导体激光器在同一工作温度区间内的不同工作温度下的气体浓度值，以一参考工作温度下的浓度值为参考值，确定把该工作温度区间内其它温度对应的浓度值补偿到参考值的系数，得到在该工作温度区间内与温度相对应的补偿系数K内。
9、根据权利要求7所述的分析方法，其特征在于：所述跨工作温度区间的气体浓度补偿系数K外由实验确定：测得所述半导体激光器在不同工作温度区间内的参考工作温度下的气体浓度值，以一工作温度区间内的参考工作温度下的浓度值为参考值，确定把其它工作温度区间内参考工作温度下测得的浓度值补偿到参考值的系数，得到与工作温度区间相对应的补偿系数K外。
10、一种半导体激光吸收光谱气体分析系统，包括光发射单元、光接收单元和分析单元，所述光发射单元包括半导体激光器、测量半导体激光器工作温度的测温元件和控制装置；其特征在于：所述光发射单元还包括用于监控半导体激光器所处工作环境的温度并与所述控制装置相连接的测温元件。
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| 激光原位气体分析仪在高炉过程控制中的应用. 黄伟，王健，熊志才，刘，罡，高书成.冶金自动化，第2006年卷第2期. 2006 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: JUGUANG SCIENCE AND TECHNOLOGY (HANGZHOU) CO., LTD Free format text: FORMER OWNER: WANG JIAN Effective date: 20090605 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20090605 Address after: Hangzhou City, Zhejiang Province, Binjiang District Binhu road 760 Patentee after: Focused Photonics (Hangzhou) Inc. Address before: Hangzhou City, Zhejiang Province, Binjiang District Lake Road 1180 No. 3 Building 2 floor Patentee before: Wang Jian |
|
| C56 | Change in the name or address of the patentee |
Owner name: FOCUSED PHOTONICS (HANGZHOU), LTD. Free format text: FORMER NAME: JUGUANG SCIENCE AND TECHNOLOGY (HANGZHOU) CO., LTD. |
|
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: Hangzhou City, Zhejiang province Binjiang District 310052 shore road 760 Patentee after: Focused Photonics (Hangzhou) Inc. Address before: Hangzhou City, Zhejiang province Binjiang District 310052 shore road 760 Patentee before: Juguang Sci. & Tech. (Hangzhou) Co., Ltd. |