CN101482501A - 温室气体的激光检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温室气体的激光检测系统及方法，它包括：半导体激光器、准直透镜、光探测器，激光器驱动电源、温度控制器，函数发生器和锁相放大器，其中激光器驱动电源和函数发生器连接，实现对半导体激光器波长的调谐功能。运用该检测系统的方法是通过控制半导体激光器的温度和泵浦电流，将半导体激光器的波长调谐至任意一种温室气体的吸收线，分别记录测定结果，再根据比尔－朗伯定律计算出二氧化碳和甲烷的气体浓度。本发明改进了大气中二氧化碳和甲烷二种温室气体的检测系统和方法，以同一个半导体激光器为检测光源，利用一套系统就可以同时检测二氧化碳和甲烷两种气体，能够有效地降低气体检测成本，提高检测效率。

Description

温室气体的激光检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种以半导体激光器为光源的温室气体光学检测系统及方法，属于光谱分析技术领域。

背景技术

引起全球气候变暖的温室气体主要是二氧化碳和甲烷。这两种气体占温室气体总量的绝大部分，其中，二氧化碳在大气中的含量约为370ppm，甲烷在大气中的含量大约为1.7ppm。目前，检测二氧化碳和甲烷气体浓度的常用方法主要有质谱法、气相色谱法、光谱学方法等。由于光谱学方法具有检测时间响应快、灵敏度高的特点，所以得到较为广泛的应用。以激光为光源的光谱学检测方法，利用激光光源单色性好的特点，采用单一吸收线，对气体浓度进行定量的测定。

以半导体激光器为光源，利用吸收光谱单独检测二氧化碳气体浓度或单独检测甲烷气体浓度的方法已有很多，但目前的这些检测方法存在一个共同的问题，那就是因激光波长的可调谐范围小，只能用一个激光源一套检测系统对应检测一种气体的浓度，如果要检测另外一种气体的浓度，就需要更换不同波长的激光源，这需要准备多个不同波长的激光源，增加检测设备的更换、调整环节，使得检测成本高，检测效率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种激光检测方法，用一个激光源一套检测系统实现对二氧化碳和甲烷这两种主要温室气体浓度的检测，达到降低检测成本，提高检测效率的目的。

本发明是这样实现的：一种温室气体的激光检测系统，包括：半导体激光器(1)、准直透镜(2)、光探测器(6)，其特征是：还包括激光器驱动电源(3)、温度控制器(4)、函数发生器(5)和锁相放大器(7)，其中激光器驱动电源(3)和函数发生器(5)连接，激光器驱动电源(3)与半导体激光器(1)连接，温度控制器(4)与半导体激光器(1)连接，实现对半导体激光器波长的调谐功能，同时函数发生器(5)与锁相放大器(7)连接。

激光器驱动电源(3)用于控制、扫描半导体激光器(1)的泵浦电流，温度控制器(4)用于调整控制半导体激光器(1)的温度，函数发生器(5)用于向激光器驱动电源(3)提供直流控制电压信号和交流调制信号，函数发生器(5)的交流调制信号同时也送至锁相放大器(7)，作为信号解调用的参考信号。

一种运用上述检测系统的检测方法，按以下步骤进行：

①在半导体激光器的波长可变范围内选择二氧化碳和甲烷二种温室气体的吸收线对，使其满足一个光源的波长可以扫过两种气体的至少各一条选定的吸收线，所选定的吸收线要有足够的吸收强度，可以分别满足检测至少370ppm二氧化碳气体浓度、以及检测至少1.7ppm甲烷气体浓度的需要；

②选择一个半导体激光器作为检测光源，它的使用波长可调谐范围要能够覆盖步骤①所选定的二氧化碳气体和甲烷气体的吸收线对，作为检测光源的半导体激光器的波长调节方法，是通过控制半导体激光器的温度和调整扫描半导体激光器的泵浦电流，将半导体激光器的波长调谐至步骤①所述的吸收线对中的任何一条吸收线；

③检测系统的检测光源波长满足步骤①和步骤②所述要求，并根据被检气体浓度水平的需要选定吸收光程和信号检测方式；

④控制半导体激光器的温度、并扫描半导体激光器的泵浦电流，使激光波长扫过所选定的二氧化碳或甲烷气体吸收线对中的一条吸收线，记录测定结果；然后根据需要改变半导体激光器的温度和泵浦电流的扫描范围，使激光波长扫过所选定的二氧化碳或甲烷气体吸收线对中的另一条吸收线，并记录测定结果，根据测定结果和系统事先的标定及校对，计算出二氧化碳和甲烷的气体浓度。

按照上述的检测方法，其特征在于二氧化碳和甲烷二种温室气体的吸收线对的选择方法如下：

①在中心波数分别为6081.3687cm^-1、6082.8843cm^-1、6084.3890cm^-1、6085.8826cm^-1、6087.3647cm^-1、6088.8353cm^-1、6090.2940cm^-1、6091.7405cm^-1的8条二氧化碳吸收线中选择其中一条；

②在中心波数分别为6085.2521cm^-1、6086.6229cm^-1、6086.6350cm^-1、6086.7454cm^-1、6086.7797cm^-1、6086.7994cm^-1、6086.8307cm^-1的7条甲烷吸收线中选择其中一条；

③将选出的一条二氧化碳吸收线与选出的一条甲烷吸收线组成一对检测用吸收线对，共能组成56对不同的吸收线对。

本发明其原理基于比尔-朗伯定律，其内容是当一束平行的单色光通过含有均匀的吸光物质的吸收层时，光的一部分被吸收层内物质的分子吸收，一部分透过吸收层，一部分被吸收层表面反射；设入射光强度为I₀，吸收光强度为I_a，透过光强度为I_t，反射光强度为I_r，则它们之间的关系应为：

I₀＝I_a+I_t+I_r         (1)

当吸收层为浓度较低的气体时，I_r的影响很小可忽略不计，则上式可以简化为：

I₀＝I_a+I_t           (2)

透射光强I_t与入射光强I₀之比被定义为透光率，用符号T来表示；吸收光强I_a与入射光强I₀之比被定义为吸光率，用符号A来表示，则有：

$T=\frac{I_t}{I_0}---\left(3\right)$

$A=\frac{I_a}{I_0}---\left(4\right)$

考虑一束平行单色入射光通过一个含有吸光物质、具有单位面积的介质，假设其通过的厚度为L，光线通过的体积中含有吸光分子，光通过后，一些光子被吸收，光强从I₀降到了I，当光通过此体积中厚度为dx的一个体积元时，如果该体积元中吸光分子浓度为C(分子/cm³)，则其中由于一部分光子被吸收所造成光强的减小量是：

-dI＝I₀·σ(λ)·C·dx             (5)

式(5)中σ(λ)为分子的有效吸收截面积(cm²/分子)，表示分子对某一波长的单色光吸收的特性。对上式积分，等式左边光强的积分上下限分别是I_t和I₀，等式右边吸收光程的积分上下限是光程L和0，则可得：

$-{\∫}_{I_0}^{I_t}\frac{\mathrm{dI}}{I}=\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·C\·{\∫}_0^L\mathrm{dx}$

I_t＝I₀exp(-σ(λ)·C·L)          (6)

式(6)就是比尔-朗伯定律的基本表达式，它表达了单色光通过吸收介质后，透过光强I、气体浓度C和吸收光程L三者之间的关系。在已知分子吸收特性和吸收光程的前提下，测定入射光强和出射光强、就可以根据比尔-朗伯定律得出吸收气体的浓度。

基于上述原理，本发明设计了以半导体激光器为光源的温室气体光学检测系统，它包括：半导体激光器、准直透镜、激光器驱动电源、温度控制器、函数发生器、光探测器、锁相放大器。由半导体激光器发出的激光束经过准直透镜后变为平行光束射向光探测器，激光光源与光探测器之间的光程为吸收光程，激光光束在通过这段距离时因气体的吸收而衰减，光强减弱，光探测器用于实现光电变换并测定光强减弱量。温度控制器用于调整控制半导体激光器的温度。激光器驱动电源用于控制、扫描半导体激光器的泵浦电流，从而实现半导体激光器波长的调谐功能。函数发生器的作用是向激光器驱动电源提供直流控制电压信号和交流调制信号，直流控制电压信号是控制激光驱动电源输出电流的大小，用于扫描泵浦电流，交流调制信号用于直接调制激光频率。交流调制信号同时也送至锁相放大器，作为信号解调用的参考信号。锁相放大器的作用是从光探测器的输出信号中抽取调制信号的某一个倍频谐波，以便降低检测噪声，提高检测结果的信噪比。

本发明的有益效果是：改进了大气中二氧化碳和甲烷二种温室气体的检测系统和方法，以同一个半导体激光器为检测光源，利用一套系统就可以同时检测二氧化碳和甲烷两种气体，能够有效地降低气体检测成本，提高检测效率。

附图说明

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于以下的实施例。

图1为比尔-朗伯定律的示意图；

图2为温室气体激光检测系统示意图；

图3为测定半导体激光器特性的装置示意图；

图4为半导体激光器波长特性的测定结果图；

图5为中心波数为6082.8843cm^-1的二氧化碳气体浓度校对测定结果图；

图6为中心波数为6086.7797cm^-1的甲烷气体浓度校对测定结果图；

图7为对大气中二氧化碳气体浓度的测定结果图；

图8为对大气中甲烷气体浓度的测定结果图；

图9为中心波数为6081.3687cm^-1的二氧化碳气体浓度校对测定结果图；

图10为中心波数为6086.8307cm^-1的甲烷气体浓度校对测定结果图；

图11为中心波数为6091.7405cm^-1的二氧化碳气体浓度校对测定结果图；

图12为中心波数为6085.2521cm^-1的甲烷气体浓度校对测定结果图。

图中：1.半导体激光器，2.准直透镜，3.激光器驱动电源，4.温度控制器，5.函数发生器，6.光探测器，7.锁相放大器，8.波长计，9.波长计结果输出端。

具体实施方式

本发明所述温室气体激光检测系统是利用被测气体分子对某一波长的激光的吸收作用，吸收使该波长的激光受到衰减，被测气体浓度越高衰减就越大，通过测定激光的衰减量就可以测定被测气体的浓度。如图2所示，选用InGaAsP材料的分布反馈型(DFB)可调谐半导体激光器1作为检测光源，采用直接频率调制，调制信号的2倍频谐波检测方式。半导体激光器1的温度由温度控制器4进行控制，可以保持为一定常值。半导体激光器1的泵浦电流由激光器驱动电源3供给并进行控制。函数发生器5向激光器驱动电源3提供直流控制电压信号和交流调制信号，用于控制驱动电源输出电流的大小和对激光器实施直接频率调制，同时函数发生器5也向锁相放大器7提供解调用参考信号。锁相放大器7的作用是从光探测器6的输出信号中抽取调制信号的某一个倍频谐波，以便降低检测噪声，提高检测结果的信噪比。

当检测一种气体时，本发明所述的温室气体激光检测系统就需要选定一条被测气体的吸收线用作测定。半导体激光器1所发出激光的波长要能够与被测气体的吸收线相吻合，即激光光谱的中心波长应能调谐至吸收线的中心，或者可以调谐扫过吸收线的中心，以便在吸收线中心处获得最大的吸收衰减。本发明方法要求半导体激光器1的波长可变范围能够覆盖至少一条选定的二氧化碳气体吸收线和至少一条选定的甲烷气体吸收线。要做到这一点，首先需要测定光源的波长特性，充分了解光源的波长可变范围，测定其波长特性的装置如图3所示。在图3中半导体激光器1发出的激光经准直透镜2聚光后，被整形为直径较小的平行光束，该光束直接射入波长计8，在波长计内测定该光束的波长后，经波长计结果输出端9数字化输出测定结果。装置中激光器驱动电源3和函数发生器5用于控制半导体激光器1的拨泵浦电流，温度控制器4用于控制半导体激光器1的温度。

如图3所示，波长的调整和扫描方法是：调整温度控制器4，将半导体激光器1的温度值从20度开始，以5度的温度间隔一直调整到45度。当半导体激光器1的温度值稳定在一个常值时，调整激光器驱动电源3，在20mA至70mA范围内控制通过扫描半导体激光器1的泵浦电流达到扫描激光波长的目的。本发明中使用的半导体激光器其波长特性测定结果如图4所示，从图4可以看出，通过改变温度和泵浦电流，半导体激光器1的波数可变范围达14cm^-1以上，能够覆盖本发明所选吸收线的范围。

本发明对温室气体进行激光检测的方法如下：

步骤一：在半导体激光器的波长可变范围内选择二氧化碳和甲烷二种温室气体的吸收线对，使其满足一个光源的波长可以扫过两种气体的至少各一条选定的吸收线。所选定的吸收线要有足够的吸收强度，可以分别满足检测至少370ppm二氧化碳气体浓度、以及检测至少1.7ppm甲烷气体浓度的需要。

步骤二：选择一个半导体激光器作为检测光源，它的使用波长可调谐范围要能够覆盖步骤一所选定的二氧化碳气体和甲烷气体的吸收线对。作为检测光源的半导体激光器的波长调节方法，是通过控制半导体激光器的温度和调整扫描半导体激光器的泵浦电流，将半导体激光器的波长调谐至步骤一所述的吸收线对中的任何一条吸收线。

步骤三：检测系统的检测光源波长满足步骤一和步骤二所述要求，并根据被检气体浓度水平的需要选定吸收光程和信号检测方式。

步骤四：控制半导体激光器的温度、并扫描半导体激光器的泵浦电流，使激光波长扫过所选定的二氧化碳或甲烷气体吸收线对中的一条吸收线，记录测定结果；然后根据需要改变半导体激光器的温度和泵浦电流的扫描范围，使激光波长扫过所选定的二氧化碳或甲烷气体吸收线对中的另一条吸收线，并记录测定结果。根据测定结果和系统事先的标定及校对，计算出二氧化碳和甲烷的气体浓度。

在对温室气体进行激光检测的方法步骤中，二氧化碳和甲烷二种温室气体的吸收线对的选择是不可少的环节。本发明选定的8条二氧化碳吸收线中心波数分别是：

6081.3687cm^-1

6082.8843cm^-1

6084.3890cm^-1

6085.8826cm^-1

6087.3647cm^-1

6088.8353cm^-1

6090.2940cm^-1

6091.7405cm^-1

本发明选定的7条甲烷吸收线中心波数分别是：

6085.2521cm^-1

6086.6229cm^-1

6086.6350cm^-1

6086.7454cm^-1

6086.7797cm^-1

6086.7994cm^-1

6086.8307cm^-1

为达到在半导体激光器的波长可变范围内选择的二氧化碳和甲烷二种温室气体的吸收线对满足一个光源的波长可以扫过两种气体的至少各一条选定的吸收线的要求，吸收线对的选择方案如下：

选取二氧化碳的吸收线6081.3687cm^-1，分别与甲烷的7条吸收线组合，组成7个吸收线对(如下表1所示)，用以同时测定二氧化碳和甲烷气体浓度。

表1

同理，选取二氧化碳的吸收线6082.8843cm^-1，分别与甲烷的7条吸收线组合，又能组成另外的7个吸收线对，与此类推，共能组成56个不同的吸收线对。

实施例1：下面选取一条二氧化碳吸收线和一条甲烷吸收线，组成检测用吸收线对，以此为例进行说明。选用中心波数为6082.8843cm^-1的二氧化碳吸收线和中心波数为6086.7797cm^-1的甲烷吸收线组成吸收线对，对二氧化碳和甲烷两种气体浓度进行测量。具体操作如下：

①首先，对二氧化碳气体浓度进行校对测定。校对测定系统的构成如图2所示，半导体激光器的特性如图4所示，为了避免环境空气的影响，校对测定时要将测定光路置于密闭容器内，与环境空气相隔绝，然后按以下步骤进行：

先将封闭光路的容器中二氧化碳气体浓度设定为98ppm，通气置换容器内气体，气体浓度达到这一浓度后开始测定。调整温度控制器4，将半导体激光器1的温度控制在40度，接着调整激光器驱动电源3，以扫描电流间隔为0.2mA，从60mA开始扫引泵浦电流至70mA，记录下测定结果。

改变封闭光路的容器中二氧化碳气体浓度，将其分别设定为195ppm，252ppm和435ppm，重复上述测定步骤，分别记录下测定结果。这样就测得98ppm、195ppm、252ppm、435ppm时二氧化碳气体的吸收光谱信号，如图5中的左图所示。图5中的左图是测得的二氧化碳吸收光谱随浓度变化的关系图，横轴是波数，纵轴是吸收光谱的信号强度。图5中的右图是与左图相对应的浓度标定线图，横轴是气体浓度，纵轴是吸收信号的强度。从图5的右图可以看出，二氧化碳气体浓度与吸收光谱的信号强度之间有着良好的线性相关。

②其次，对甲烷气体浓度进行校对测定。校对测定系统的构成如图2、半导体激光器的特性如图4所示，为了避免环境空气的影响，同样将测定光路置于密闭容器内，与环境空气相隔绝，然后按以下步骤进行：

先将封闭光路的容器中甲烷气体浓度设定为0.35ppm，通气置换容器内气体，气体浓度达到这一浓度后开始测定。调整温度控制器4，将半导体激光器1的温度控制在30度，接着调整激光器驱动电源3，以扫描电流间隔为0.2mA，从55mA开始扫引泵浦电流至65mA，记录下测定结果。

改变封闭光路的容器中甲烷气体浓度，将其分别设定为0.75ppm，1.28ppm和2.06ppm，重复上述测定步骤，分别记录下测定结果。这样就测得0.35ppm、0.75ppm、1.28ppm、2.06ppm时甲烷气体的吸收光谱信号，如图6中的左图所示。图6中的左图是测得的甲烷吸收光谱随浓度变化的关系图，横轴是波数，纵轴是吸收光谱的信号强度。图6中的右图是与左图相对应的浓度标定线图，横轴是气体浓度，纵轴是吸收信号的强度。从图6的右图可以看出，甲烷气体浓度与吸收光谱的信号强度之间有着良好的线性相关。

③最后，对大气中二氧化碳和甲烷气体浓度进行实测。我们用上述①和②标定校对后的气体检测系统，对大气中的二氧化碳和甲烷气体浓度进行了实测。对大气中二氧化碳气体浓度的实测结果如图7所示，对大气中甲烷气体浓度的实测结果如图8所示。

实施例2：为进一步说明本发明方法，本例选用中心波数最小的二氧化碳吸收线6081.3687cm^-1和中心波数最大的甲烷吸收线6086.8307cm^-1组成吸收线对，对二氧化碳和甲烷两种气体浓度进行了测量。具体操作与实施例一相同，在此结合附图进行简要说明：

①对二氧化碳气体浓度进行校对测定。如图2、图4和图9所示，将封闭光路的容器中二氧化碳气体浓度分别设定为185ppm、370ppm和505ppm，然后调整温度控制器4，将半导体激光器1的温度控制在45度，接着调整激光器驱动电源3，以扫描电流间隔为0.2mA，从55mA开始扫引泵浦电流直至65mA，得到二氧化碳气体浓度标定线图。

②对甲烷气体浓度进行校对测定。如图2、图4和图10所示，将封闭光路的容器中甲烷气体浓度的分别设定为0.65ppm、1.32ppm和2.25ppm，然后调整温度控制器4，将半导体激光器1的温度控制在33度，接着调整激光器驱动电源3，以扫描电流间隔为0.2mA，从45mA开始扫引泵浦电流至55mA，得到甲烷气体浓度标定线图。

③测定二氧化碳和甲烷气体的吸收光谱后，根据吸收光谱信号强度与气体浓度的关系就可以定量测定大气中二氧化碳和甲烷气体的浓度。具体测定结果与实施例一相同。

实施例3：本例选用中心波数最大的二氧化碳吸收线6091.7405cm^-1和中心波数最小的甲烷吸收线6085.2521cm^-1组成吸收线对，对这两种温室气体进行测定。具体操作与实施例一相同，在此结合附图进行简要说明：对二氧化碳气体进行校对测定时，如图2、图4和图11所示，将封闭光路的容器中二氧化碳气体浓度分别设定为110ppm、245ppm和408ppm，调整温度控制器4，将半导体激光器1的温度控制在45度，调整激光器驱动电源3，以扫描电流间隔为0.2mA，从55mA开始扫引泵浦电流至65mA，得到二氧化碳气体浓度标定线图。对甲烷气体进行校对测定时，如图2、图4和图12所示，将封闭光路的容器中甲烷气体浓度的设定分别为0.82ppm、1.53ppm和2.81ppm，调整温度控制器4，将半导体激光器1的温度控制在33度，调整激光器驱动电源3，以扫描电流间隔为0.2mA，从45mA开始扫引泵浦电流至55mA，得到甲烷气体浓度标定线。测定二氧化碳和甲烷气体的吸收光谱后，根据吸收光谱信号强度与气体浓度的关系就可以定量测定大气中二氧化碳和甲烷气体的浓度。具体测定结果与实施例一相同。

Claims (4)

1.一种温室气体的激光检测系统，包括：半导体激光器(1)、准直透镜(2)、光探测器(6)，其特征是：还包括激光器驱动电源(3)、温度控制器(4)、函数发生器(5)和锁相放大器(7)，其中激光器驱动电源(3)和函数发生器(5)连接，激光器驱动电源(3)与半导体激光器(1)连接，温度控制器(4)与半导体激光器(1)连接，实现对半导体激光器波长的调谐功能，同时函数发生器(5)与锁相放大器(7)连接。

2.按照权利要求1所述的检测系统，其特征在于激光器驱动电源(3)用于控制、扫描半导体激光器(1)的泵浦电流，温度控制器(4)用于调整控制半导体激光器(1)的温度，函数发生器(5)用于向激光器驱动电源(3)提供直流控制电压信号和交流调制信号，函数发生器(5)的交流调制信号同时也送至锁相放大器(7)，作为信号解调用的参考信号。

3.一种运用权利要求1所述的检测系统的检测方法，其特征在于按以下步骤进行：

①在半导体激光器的波长可变范围内选择二氧化碳和甲烷二种温室气体的吸收线对，使其满足一个光源的波长可以扫过两种气体的至少各一条选定的吸收线，所选定的吸收线要有足够的吸收强度，可以分别满足检测至少370ppm二氧化碳气体浓度、以及检测至少1.7ppm甲烷气体浓度的需要；

②选择一个半导体激光器作为检测光源，它的使用波长可调谐范围要能够覆盖步骤①所选定的二氧化碳气体和甲烷气体的吸收线对，作为检测光源的半导体激光器的波长调节方法，是通过控制半导体激光器的温度和调整扫描半导体激光器的泵浦电流，将半导体激光器的波长调谐至步骤①所述的吸收线对中的任何一条吸收线；

③检测系统的检测光源波长满足步骤①和步骤②所述要求，并根据被检气体浓度水平的需要选定吸收光程和信号检测方式；

④控制半导体激光器的温度、并扫描半导体激光器的泵浦电流，使激光波长扫过所选定的二氧化碳或甲烷气体吸收线对中的一条吸收线，记录测定结果；然后根据需要改变半导体激光器的温度和泵浦电流的扫描范围，使激光波长扫过所选定的二氧化碳或甲烷气体吸收线对中的另一条吸收线，并记录测定结果，根据测定结果和系统事先的标定及校对，计算出二氧化碳和甲烷的气体浓度。

4.按照权利要求3所述的检测方法，其特征在于二氧化碳和甲烷二种温室气体的吸收线对的选择方法如下：

①在中心波数分别为6081.3687cm^-1、6082.8843cm^-1、6084.3890cm^-1、6085.8826cm^-1、6087.3647cm^-1、6088.8353cm^-1、6090.2940cm^-1、6091.7405cm^-1的8条二氧化碳吸收线中选择其中一条；

②在中心波数分别为6085.2521cm^-1、6086.6229cm^-1、6086.6350cm^-1、6086.7454cm^-1、6086.7797cm^-1、6086.7994cm^-1、6086.8307cm^-1的7条甲烷吸收线中选择其中一条；

③将选出的一条二氧化碳吸收线与选出的一条甲烷吸收线组成一对检测用吸收线对，共能组成56对不同的吸收线对。

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