CN101435773A - 基于准连续二极管激光器调制光谱气体监测方法和装置 - Google Patents

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本发明涉及检测气体的方法和装置，具体讲是涉及基于准连续二极管激光调制光谱气体监测方法和装置。为解决本发明采用的技术方案是，一种用于气体检测的准连续二极管激光调制光谱方法，使调制信号发生器输出一个调制信号和一个参考信号，将调制信号提供给激光驱动器以控制准连续二极管激光器的注入电流，将参考信号提供给锁相放大器用作参考信号，使准连续二极管激光器发出的激光通过待检测气体后被光电探测器接收，将光电探测器的输出输送到前置放大器放大后送入锁相放大器，将锁相放大器的输出信号经AD转换器送到计算机中进行处理分析，得到被测气体的种类及浓度数据。本发明主要应用于需要高灵敏、高分辨进行痕量气体检测场合。

Description

基于准连续二极管激光器调制光谱气体监测方法和装置
技术领域
本发明涉及检测气体的方法和装置，特别是涉及高灵敏、高分辨、可用于痕量气体检测的方法和装置，具体讲是涉及基于准连续二极管激光调制光谱气体检测方法和装置。
背景技术
可调谐二极管激光吸收光谱技术是一种具有高灵敏、高分辨、快速响应特点的检测技术，被广泛应用于工业气体监控及环境大气监测等领域。它利用二极管激光器的波长调谐特性，即通过改变二极管激光器的温度或者注入电流，而使激光器输出波长改变。在波长调谐范围内获得被选定的待测气体特征吸收线的吸收光谱，从而对污染气体进行定性或者定量分析。
对于浓度较高的气体，可以采用直接吸收光谱检测的方法。直接吸收光谱就是以波长为函数记录被测气体对入射光吸收的原始吸收谱线，它是从透过光强的变化中分析被测气体的浓度。当气体对入射光的吸收很小时，则透过光强很强，而光强的相对变化非常小，于是容易受到背景噪声的干扰，引起测量误差。
为了提高探测的灵敏度，一般会根据具体情况对激光器采取不同的调制技术如波长调制、振幅调制、频率或者位相调制等。
波长调制技术最早出现于20世纪70年代，经过30余年的发展已成为光谱检测技术领域的重要手段。与直接吸收光谱检测相比，波长调制吸收光谱技术的检测灵敏度可提高100倍以上。波长调制技术是将高频正弦信号叠加到二极管激光器的注入电流上，并通过叠加频率远低于正弦信号的锯齿波或三角波扫频信号，使激光器发出的激光扫过一定波长范围。最早基于波长调制技术的调谐二极管激光系统在低于1kHz范围内进行调制并进行二次谐波检测。如今利用50kHz信号调制，100kHz信号解调已很常见。
可调谐激光吸收光谱技术结合波长调制技术，可实现多种物质分子的实时快速检测，已成为一种工业气体监控及环境大气在线监测的重要手段。这种方法以锯齿波或三角波电压为扫频信号，在其上叠加高频正弦扰动，将直流检测信号转换为高频交流信号，可以有效抑制系统中的噪声和各种外界干扰，在检测灵敏度、精度方面比直接检测方法具有明显的优势。目前波长调制光谱方法已成功应用于连续二极管激光器，国内外众多学者都做了许多气体探测的研究，探测灵敏度可达ppb量级。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题和目的是，提供一种基于准连续二极管激光的调制光谱方法及装置，从而实现将准连续可调谐二极管激光作为TDLAS系统的光源，并利用调制光谱方法提高检测灵敏度和分辨率，适用于痕量气体的检测或监测。
本发明的技术方案是：
一种用于气体检测的准连续二极管激光调制光谱方法，使调制信号发生器输出一个调制信号和一个参考信号，将调制信号提供给激光驱动器以控制准连续二极管激光器的注入电流，并将参考信号提供给锁相放大器，使准连续二极管激光器发出的激光通过待检测气体后被光电探测器接收，将光电探测器的输出输送到前置放大器放大后送入锁相放大器，将锁相放大器的输出信号经AD转换器送到计算机中进行处理分析，得到被测气体的种类及浓度数据。
所述采用的准连续二极管激光器，是以脉冲电流做驱动信号，其占空比为50％或50％以下。
将调制信号提供给激光驱动器以控制准连续二极管激光器的注入电流，采用的注入电流为调制信号与偏置电流的叠加，使偏置电流大于等于准连续二极管激光器的阈值电流。
所述调制信号是在准连续二极管激光器的脉冲注入电流信号上叠加频率为f1高频正弦扰动和低频扫描信号，所述低频扫描信号是频率低于脉冲注入电流的锯齿波或三角波信号，所述调制信号对应的参考信号是叠加的高频正弦信号的倍频1f1、2f1、3f1、……，使锁相放大器得到所述气体吸收谱的多次谐波或某一次谐波信号。
所述调制信号也可以是在准连续二极管激光器的频率为f2脉冲注入电流信号上叠加低频扫描信号，所述低频扫描信号是频率低于脉冲注入电流的锯齿波或三角波信号，所述调制信号对应的参考信号是脉冲注入电流信号的倍频1f2、2f2、3f2、……，使锁相放大器得到所述气体吸收谱的多次谐波或某一次谐波信号。
所述使锁相放大器得到的气体吸收谱的多次谐波或某一次谐波信号经AD转换送到计算机进行处理，得到被测气体的种类及浓度数据。
基于准连续二极管激光的调制光谱装置，包括依次连接的调制信号发生器1、激光驱动器2、激光光谱光路10、信号调理电路11、计算机9，所述的激光光谱光路10包括准连续二极管激光器3、长光程气体池4、光电探测器5，其中，二极管激光器3连接激光驱动器2的输出，激光经准直后入射到长光程气体池4，从气体池出射的激光由光电探测器5接收，调制信号发生器1、光电探测器5的输出分别与信号调理电路11相连接，调理电路11还与计算机9相连接。
所述的信号调理电路11包括依次相连的前置放大器6、锁相放大器7、数据采集卡8，其中，前置放大器6的输入端连接到光电探测器5的输出，锁相放大器7连接数据采集卡8，数据采集卡8将采集到的光谱数据传入计算机9，锁相放大器7连接到调制信号发生器1。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：将调制光谱技术应用于准连续二极管激光器做光源的TDLAS检测系统，使准连续二极管激光光源代替传统的连续二极管激光光源，实现高灵敏、高分辨的气体检测手段。主要表现为以下几个方面：其一，准连续激光二极管做光源的TDLAS系统与调制光谱技术相结合的检测手段较传统的直接吸收检测技术相比，将直流检测变为交流检测，分辨率可提高一个数量级以上；其二，利用锁相放大器进行谐波信号的窄带检测，比传统宽带检测的灵敏度提高一个数量级以上；其三，激光器的准连续工作方式大大扩展了激光器的工作温度范围，进而使激光器调谐波长范围达到几十纳米，可以同时测量多种气体成分。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
其中：
1.调制信号发生器                2.激光驱动器
3.准连续二极管激光器            4.长光程气体池
5.光电探测器                    6.前置放大器
7.锁相放大器                    8.数据采集卡
9.计算机
图2是本发明方法中调制信号的示意图。
图3是本发明方法中调制信号的示意图。
具体实施方式
使用准连续激光器作为光源做痕量气体检测时，通常采用直接检测(或门控技术)，将波长调制技术应用于准连续激光器的方法未见报导。为提高检测灵敏度，将波长调制技术应用于准连续激光器将具有重要意义。
本发明涉及一种用于气体检测的准连续二极管激光调制光谱方法，包括由调制信号发生器提供一高频调制信号，此调制信号是在脉冲波上叠加高频正弦扰动和低频锯齿波扫频信号，此调制信号还可以是在脉冲波上直接叠加低频锯齿波扫频信号。将此调制信号提供给激光驱动器以控制激光器的注入电流，激光器发出一定波长范围的激光通过待检测气体后被光电探测器接收，经前置放大器放大后送入锁相放大器，按工作要求处理分析。
本发明采用的激光器是一种准连续二极管激光器，它以脉冲电压做驱动信号，一个脉冲周期的工作部分占周期的50％以下，工作在交流模式下。
本发明采用的调制信号是频率为f1(一般为几十kHz)的高频正弦信号，参考信号频率是调制信号频率的整数倍，即1f1、2f1、3f1、……、nf1。调制信号还可以是频率为f2的脉冲信号，参考信号频率是脉冲信号频率的整数倍，即1f2、2f2、3f2、……、nf2。扫频信号是频率低于调制信号(一般为几十Hz)的锯齿波或三角波信号。
用于滤波和解调的锁相放大器需施加频率为正弦调制信号频率的整数倍，1f1、2f1、3f1、……、nf1的同步参考信号，或脉冲频率的整数倍，1f2、2f2、3f2、……、nf2的同步参考信号，对调制信号进行不同倍频解调，对吸收谱的多次谐波进行探测。采集卡采集锁相放大器检测到的多次谐波信号后送入计算机进行数据分析处理。
本发明方法中，一种是调制信号为脉冲波、正弦波、锯齿波三路信号的叠加；另一种是调制信号只是由脉冲信号和锯齿波两路信号的叠加。而对应于第一种调制信号，锁相放大器的参考信号是正弦信号的整数倍；对应于第二种调制信号，参考信号是脉冲信号的整数倍。
本发明采用的激光驱动器包括温度控制模块和电流控制模块。其中：温度控制模块是通过控制二极管激光器内部的热电制冷器控制激光器的内部温度，以实现将激光器的温度控制在激光器可正常发光的温度范围内。电流控制模块为激光器提供一个偏置直流电流，此直流电流与调制信号发生器提供的调制信号共同控制二极管激光器的注入电流，对二极管激光器进行波长调谐。
本发明的待检测气体可以是密封于怀特式结构的长光程气体吸收池内的低浓度气体，也可以是一种开放式的光路结构中的气体，通过改变激光的反射次数来增加光程长度，提高灵敏度。
本发明的准连续二极管激光调制光谱的装置，包括依次连接的调制信号发生器、激光驱动器、激光光谱光路、信号调理电路、数据采集卡、计算机。
所述的激光光谱光路包括准连续二极管激光器、长光程气体池、光电探测器，其中，二极管激光器的输入端连接激光驱动器，输出激光经准直后进入含有待测气体的长光程气体池，激光在吸收池内经多次反射后输出激光由光电探测器接收，光电探测器的输出与信号调理电路相连接。
所述的信号调理电路包括前置放大器、锁相放大器、数据采集卡，其中，前置放大器的输入端连接激光光谱光路中的光电探测器，锁相放大器连接数据采集卡，数据采集卡将采集到的光谱信息传入计算机。
下面结合附图和实施例对本发明的准连续二极管激光的调制光谱方法做出详细说明。
本发明的用于气体检测的准连续二极管激光调制光谱方法，包括由调制信号发生器提供一高频调制信号，此调制信号是在脉冲波上叠加高频正弦扰动和低频锯齿波扫频信号，将此调制信号提供给激光驱动器以控制激光器的注入电流，激光器发出一定波长范围的激光通过待检测气体后被光电探测器接收，经前置放大器放大后送入锁相放大器，按工作要求处理分析。所述的方法包括如下的步骤：
首先由调制信号发生器产生1路调制信号和至少2路的参考信号，本发明以3路参考信号为例。调制信号为高频脉冲信号、高频正弦信号和低频锯齿波信号的叠加。其中，高频脉冲信号频率为5kHz，占空比为50％，为激光器提供注入电流；高频正弦信号频率为105kHz，叠加于脉冲信号上，作为高频调制信号；低频锯齿波信号频率为60Hz，高电平为1.5V，低电平为0V，作为扫频信号扫过激光器的调制波长范围。调制后的信号形式如图2所示。
将调制信号发生器1产生的调制信号输入激光驱动器2以控制准连续二极管激光器的注入电流，对准连续二极管激光器进行电流调谐。同时激光驱动器2的温度控制模块通过控制激光器内部的热敏电阻温度，设置激光器的温度为15℃。
准连续二极管激光器3经电流调谐后，输出波长在一定范围内周期性连续变化，出射的激光经两片透镜组成的准直机构准直后进入包含待测气体的长光程气体池4，在长光程气体池4内激光发生多次反射，经待测气体的吸收后出射的激光被光电探测器5接收，光电探测器5将光信号转换成电信号输入前置放大器6，经前置放大器6放大后的信号再输入锁相放大器7进行谐波探测。
锁相放大器7上施加同步信号为调制信号发生器1所产生的参考信号，频率分别为调制正弦信号频率的1倍、2倍、3倍，即105kHz、210kHz、315kHz。可利用一个锁相放大器，采用不同的参考信号分别解调1次谐波、2次谐波、3次谐波，也可同时并联3个锁相放大器，采用3个参考信号同时解调3个谐波信号。
解调后的谐波信号由锁相放大器7送入数据采集卡8，数据采集卡8再将采集到的数据送入计算机进行数据分析处理。
被测气体的多次谐波数据来源于其吸收谱的各阶导数，即在各次谐波数据中都包含有气体的成分、浓度等特征信息，被测气体吸收谱的多次谐波获取的是一种高频、窄带信号，可以有效抑制系统漂移、外界电磁干扰、电路噪声以及共存干扰物的吸收等的影响；而且阶次高的信号对低频干扰的抑制能力更好。然而信号的幅值随阶次增高而减小很快，使得随着阶次增大，信噪比减小。
偶次谐波(2f1、4f1、6f1、……)的最大值在气体吸收线的中心处，且其线型都以此中心线对称；气体吸收线的中心处与奇次谐波(f1、3f1、5f1、……)的0点对应，n阶奇次谐波最大值对应于(n-1)阶谐波的变化率最值点。吸收谱的各次谐波本质上反映了谱的线形，其数据包含了被测气体的种类、浓度、不同类型噪声等信息。
本发明的用于气体检测的准连续二极管激光调制光谱方法中的调制信号还可以是，在高频脉冲波信号上直接叠加低频锯齿波扫频信号。其中，高频脉冲信号频率为5kHz，占空比为50％，为激光器提供注入电流；低频锯齿波信号频率为60Hz，高电平为1.5V，低电平为0V，作为扫频信号扫过激光器的调制波长范围。调制后的信号形式如图3所示。
如图1所示，本发明的准连续二极管激光调制光谱的装置，包括依次连接的调制信号发生器1、激光驱动器2、激光光谱光路10、信号调理电路11、数据采集卡8、计算机9。
所述的激光光谱光路包括准连续二极管激光器3、长光程气体池4、光电探测器5，其中，准连续二极管激光器3的输入端连接激光驱动器2，输出激光经准直后进入含有待测气体的长光程气体池4，激光在吸收池内经多次反射后输出激光由光电探测器5接收，光电探测器的输出与信号调理电路11相连接。
所述的信号调理电路11包括前置放大器6、锁相放大器7、数据采集卡8，其中，前置放大器6的输入端连接激光光谱光路中的光电探测器5，锁相放大器7连接数据采集卡8，数据采集卡8将采集到的光谱信息传入计算机9。前置放大器6对光电探测器5的输出信号进行放大，前置放大器6的输出信号送入到锁相放大器7，调制信号发生器1的参考信号部分也输入锁相放大器7，锁相放大器7对信号进行解调后的谐波信号送入数据采集卡8，最后传入计算机9进行数字滤波、粗大误差剔除、温度补偿、背景扣除预处理等数据分析处理。
在本发明的例中选用：
激光驱动器的型号为：LDC3908。
准连续二极管激光器的型号为：LD220-HHL#1。
光电探测器的型号为：AMT-07。
锁相放大器型号为：SR844。

Claims (8)

1.一种用于气体检测的准连续二极管激光调制光谱方法，其特征在于，使调制信号发生器输出一个调制信号和一个参考信号，将调制信号提供给激光驱动器以控制准连续二极管激光器的注入电流，并将参考信号提供给锁相放大器，使准连续二极管激光器发出的激光通过待检测气体后被光电探测器接收，将光电探测器的输出输送到前置放大器放大后送入锁相放大器，将锁相放大器的输出信号经AD转换器送到计算机中进行处理分析，得到被测气体的种类及浓度数据。
2.如权利要求1所述的准连续二极管激光调制光谱方法，其特征在于：所述采用的准连续二极管激光器，是以脉冲电流做驱动信号，其占空比为50％或50％以下。
3.如权利要求1所述的准连续二极管激光调制光谱方法，其特征在于：将调制信号提供给激光驱动器以控制准连续二极管激光器的注入电流，采用的注入电流为调制信号与偏置电流的叠加，使偏置电流大于等于准连续二极管激光器的阈值电流。
4.如权利要求1所述的准连续二极管激光调制光谱方法，其特征在于：所述调制信号是在准连续二极管激光器的脉冲注入电流信号上叠加频率为f1高频正弦扰动和低频扫描信号，所述低频扫描信号是频率低于脉冲注入电流的锯齿波或三角波信号，所述调制信号对应的参考信号是叠加的高频正弦信号的倍频1f1、2f1、3f1、……，使锁相放大器得到所述气体吸收谱的多次谐波或某一次谐波信号。
5.如权利要求1所述的准连续二极管激光调制光谱方法，其特征在于：所述调制信号也可以是在准连续二极管激光器的频率为f2脉冲注入电流信号上叠加低频扫描信号，所述低频扫描信号是频率低于脉冲注入电流的锯齿波或三角波信号，所述调制信号对应的参考信号是脉冲注入电流信号的倍频1f2、2f2、3f2、……，使锁相放大器得到所述气体吸收谱的多次谐波或某一次谐波信号。
6.如权利要求4或5所述的准连续二极管激光调制光谱方法，其特征在于：所述使锁相放大器得到的气体吸收谱的多次谐波或某一次谐波信号经AD转换送到计算机进行处理，得到被测气体的种类及浓度数据。
7.实现权利要求1所述的准连续二极管激光调制光谱的装置，其特征在于：包括依次连接的调制信号发生器(1)、激光驱动器(2)、激光光谱光路(10)、信号调理电路(11)、计算机(9)，所述的激光光谱光路(10)包括准连续二极管激光器(3)、长光程气体池(4)、光电探测器(5)，其中，二极管激光器(3)连接激光驱动器(2)的输出，激光经准直后入射到长光程气体池(4)，从气体池出射的激光由光电探测器(5)接收，调制信号发生器(1)、光电探测器(5)的输出分别与信号调理电路(11)相连接，调理电路(11)还与计算机(9)相连接。
8.如权利要求7所述的准连续二极管激光调制光谱的装置，其特征在于：所述的信号调理电路(11)包括依次相连的前置放大器(6)、锁相放大器(7)、数据采集卡(8)，其中，前置放大器(6)的输入端连接到光电探测器(5)的输出，锁相放大器(7)连接数据采集卡(8)，数据采集卡(8)将采集到的光谱数据传入计算机(9)，锁相放大器(7)连接到调制信号发生器(1)。
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Assignee: Zhuozhou Changdi Petroleum Instrument Co., Ltd.

Assignor: Tianjin University

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Denomination of invention: Gas monitoring method and apparatus based on quasi continuous diode laser modulated spectrum

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License type: Exclusive License

Open date: 20090520

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