CN101819142A

CN101819142A - 多光纤通道激光红外气体传感器

Info

Publication number: CN101819142A
Application number: CN201010169577A
Authority: CN
Inventors: 刘惠春; 杨耀
Original assignee: WUXI WOPU OPTOELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUXI WOPU OPTOELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2010-09-01

Abstract

本发明公开了一种多光纤通道激光红外气体传感器，包括：一个电路和人机交换模块，用于电源管理，系统控制，信号的锁相放大、采集、储存、分析与读取，及人机交互；至少一个半导体热电制冷器，与电路和人机交换模块连接，用于实现温度控制；一个激光器，固定在半导体热电制冷器上并与电路和人机交换模块连接，用于发射红外激光；至少一个红外探测器，固定在半导体热电制冷器上并与电路和人机交换模块连接，用于接收红外激光；光纤探头，通过光纤与激光器和所述红外探测器连接，用于探测多个气体待测点。本发明可以探测远处或者角落的气体，更加安全，且可同时探测多个气体测量点，提高了集成度，降低了成本。

Description

多光纤通道激光红外气体传感器

技术领域

本发明涉及一种红外气体传感器，具体涉及一种多光纤通道的激光红外气体传感器。

背景技术

在石化行业、矿产开发中往往存在一氧化碳、烷类、烯类和炔类等易燃气体以及苯、醛、酮等有机蒸汽，它们易燃易爆，对生产安全和环境保护都造成巨大威胁，须对其进行严密、实时的监控。检测可燃性气体的传感器主要有催化燃烧和红外吸收式两种类型。催化燃烧式传感器设计与制造相对容易，价格较低。但它有以下严重缺陷：反应需要有氧气参加，即被检测环境中的氧气含量不能太低，当氧气含量低于16％时它的检测值就会偏低；环境中存在含硅、氯、硫等的化合物时，传感器会发生中毒现象，灵敏度严重降低甚至完全失效；只能检测低可燃气浓度，气体浓度过高或长时间接触低浓度气体都会造成传感器的灵敏度大幅度下降或损坏；探测速度较慢，延时明显；稳定性差，每隔几个月就需要重新校正。在石化这种安全要求极高的行业，这些缺陷将带来严重的隐患。与催化燃烧式传感器相比，红外吸收式具有选择性好、测量范围宽、不中毒、不依赖于氧气、寿命长等显著优点，是高性能气体传感器的主流发展方向。

在红外吸收气体传感器的家族中，性能最卓越的是激光红外气体传感器。该技术利用半导体激光器作为红外光源，利用高性能的红外探测器进行信号探测。它具备传统红外吸收气体传感器的一切优点，同时也具备一系列独特的优势，包括测量灵敏度高、覆盖气体种类多、响应时间快、轻便小巧等。但是一般激光红外气体传感器并不适合用以可燃气体监测，其原因在于，其所用红外光源为量子级联激光器，工作电流很大，发热很强，需要利用半导体热电制冷器来制冷和稳定温度，万一制冷器失灵或传感器排热不及时，可能引燃易燃易爆气体，导致灾难性后果发生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多光纤通道激光红外气体传感器，气体传感器的红外激光器、探测器、人机界面和气体吸收部分分离，中间由光纤连接。利用光纤将激光器所发出的红外激光传送至待测点，光纤发射头所发出的红外激光经待测气体吸收之后由另外一束光纤收集，并且传回红外探测器，随后由信号采集和处理系统进行处理，最终获取待测气体的种类和浓度信息。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种多光纤通道激光红外气体传感器，包括：

一个电路和人机交换模块，用于电源管理，系统控制，信号的锁相放大、采集、储存、分析与读取，及人机交互；

至少一个半导体热电制冷器，与所述电路和人机交换模块连接，用于实现温度控制；

一个激光器，固定在所述半导体热电制冷器上并与所述电路和人机交换模块连接，用于发射红外激光；

至少一个红外探测器，固定在所述半导体热电制冷器上并与所述电路和人机交换模块连接，用于接收红外激光；

光纤探头，通过光纤与所述激光器和所述红外探测器连接，用于探测多个气体待测点。

本发明具有以下优点：

1.发明的光纤探头激光红外气体传感器利用光纤将激光器所发出的红外激光传送至气体测量点，光纤发射头所发出的红外激光经待测气体吸收之后由另外一束光纤收集，并且传回至红外探测器。这一措施有两个好处：一、可以探测远处或者角落的气体，例如矿井深处；二、气体传感器的激光器和电路部分远离所探测的气体，在探测易燃易爆气体时，不会因为激光器的发热或者电路中的电火花而引燃引爆气体。

2.本发明的光纤探头激光红外气体传感器可同时连接多个光纤探头，同时探测多个气体测量点，提高了集成度，降低了成本。激光红外气体传感器的关键部分是量子级联激光器，其价格很高，目前可调谐量子级联激光器的单价为1万美元左右。在我们的发明中，多个气体测量通道共享同一个量子级联激光器，及控制、信号采集、人机交互等部分，每一个气体测量通道的成本因此大大降低。

3.本发明的光纤探头激光红外气体传感器工作波段为中红外波段(3至12微米)，在这一波长区域内，绝大多数非极性分子分子都有着特征性吸收峰，属于本征吸收，其吸收强大远高于近红外波段，探测灵敏度高，可辨识性好。

4.室温下工作。通常的高性能红外吸收型气体传感设备都需要利用液氮制冷，致使设备昂贵笨重，操作不便。我们的产品所用光源为量子级联激光器，光强很高，而所用探测器在室温下就具备很高的吸收系数，故而系统在室温下就可以正常工作，无需液氮制冷。

5.扫描时间快，为1秒钟以下。觉得扫描速度的主要因素是量子级联激光器的调谐速度和量子阱红外探测器的响应速度，我们所用到的量子级联激光器可通过电流调谐，其速度很快，全光谱扫描所需时间仅为几毫秒，而量子阱红外探测器是中远红外波段响应速度最快的探测器，响应频率可达数十(GHz)。综合起来，本发明能够在很短的时间内完成数千次重复扫描，大大提高探测精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的多光纤通道(以两个光纤探头为例)激光红外气体传感器结构示意图；

图2是本发明的气体探头。

图中的附图标记为：1、电路和人机交换模块；2、第一半导体热电制冷器；3、量子级联激光器；4、透镜光纤(第一光纤)；5、光纤耦合器；6、第二光纤；7、第一气体探头；8、第三光纤；9、第二半导体热电制冷器；10、第一量子阱红外探测器；11、第四光纤；12、第二气体探头；13、第五光纤；14、第三半导体热电制冷器；15、第二量子阱红外探测器；16、探头壳体；17、第一光纤口；18、第二光纤口；19、反射镜；20、透气防尘膜。

具体实施方式

如图1所示，本发明的多光纤通道(以两个光纤通道为例)激光红外气体传感器，包括：电路和人机交换模块1，用于电源管理，系统控制，信号的锁相放大、采集、储存、分析与读取，及人机交互；第一半导体热电制冷器2，与电路和人机交换模块1连接，用于实现温度控制；量子级联激光器3，固定在第一半导体热电制冷器2上并与电路和人机交换模块1连接，用于发射红外激光；透镜光纤4(第一光纤)，靠近量子级联激光器发光端，用以将量子级联激光器所发出的红外光准直并且导入光纤；光纤耦合器5，连接透镜光纤4，将激光由一条光纤中分至多条光纤(本实施例为光纤6和光纤11)；光纤6，将红外激光传送至第一气体探头7；光纤8，将红外激光传送回第一量子阱红外探测器10；第二半导体热电制冷器9，与电路和人机交换模块1相连，用以给第一量子阱红外探测器10制冷；第一量子阱红外探测器10，与电路和人机交换模块1相连，用以探测红外激光信号；光纤11，将红外激光传送至第一气体探头12；光纤13，将红外激光传送回第一量子阱红外探测器15；第三半导体热电制冷器14，用以给第二量子阱红外探测器15制冷；第二量子阱红外探测器15，与电路和人机交换模块1相连，用以探测红外激光信号。

如图2所示，本发明的多光纤通道激光红外气体传感器的气体探头，包括探头壳体，上面有多个孔洞21以供待测气体进出；在探头壳体外覆盖有防尘透气膜20；在探头壳体一端有第一光纤口17，是光纤6进入气体探头的端口，以及第二光纤口18，是光纤8进入气体探头的端口；在探头壳体另外一端有一个反射镜19。工作时，光纤6所发出的红外激光，经反射镜面19反射，随后进入光纤8。在此过程中，红外激光两次穿越气体探头壳体内的空间，为待测气体所吸收。

本发明的量子级联激光器由砷化镓材料制备，波长范围在3到12微米。可以为分布反馈式量子级联激光器或外腔式量子级联激光器。

本发明的传感器所用的激光器为量子级联激光器。传统的半导体激光器的激射波长由半导体材料的导带和价带之间的带隙大小决定，而量子级联激光器的激射波长与半导体材料带隙无关，其工作原理与通常的半导体激光器截然不同，利用了导带中的子带间跃迁。它的问世是中远红外波段半导体激光器研制的一个突破性进展，具备输出功率大，可室温工作，波长调谐范围广，调谐精度高等优点。

传感器所用红外探测器是室温高吸收量子阱红外探测器。目前人们所用探测器为InSb，DTGS和HgCdTe，与它们相比，量子阱红外探测器具备响应速度快、探测率高、探测波长可通过量子阱参数的调整加以控制等优点。此外，量子阱红外探测器基于成熟的砷化镓材料，可以利用标准的半导体生长(分数束外延和金属有机化学气相沉积)和制程(光刻等)工艺来生长制备，材料均匀性好、成品率高、成本低廉等优点。它工作于室温或者准室温状态，在室温或者准室温下的探测率可达到或者接近理论极限值，正常工作下吸收系数在90％以上，响应速度高，极其适合于气体分析。

Claims

1.一种多光纤通道激光红外气体传感器，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的多光纤通道激光红外气体传感器，其特征在于，所述的激光器为量子级联激光器，所述的红外探测器为量子阱红外探测器。

3.如权利要求2所述的多光纤通道激光红外气体传感器，其特征在于，所述的量子级联激光器由砷化镓材料制备，波长范围在3到12微米。

4.如权利要求2所述的多光纤通道激光红外气体传感器，其特征在于，所述的量子级联激光器为分布反馈式量子级联激光器或外腔式量子级联激光器。

5.如权利要求1所述的多光纤通道激光红外气体传感器，其特征在于，所述多光纤通道激光红外气体传感器还包括一个光纤耦合器，一端通过透镜光纤与所述激光器发射端连接，另一端通过光纤与所述光纤探头连接，用于将激光由一条光纤分至多条光纤。

6.如权利要求1所述的多光纤通道激光红外气体传感器，其特征在于，所述光纤探头包括一个探头壳体，所述探头壳体上面有多个孔洞以供待测气体进出。

7.如权利要求6所述的多光纤通道激光红外气体传感器，其特征在于，在所述探头壳体外覆盖有防尘透气膜。

8.如权利要求6所述的多光纤通道激光红外气体传感器，其特征在于，在所述探头壳体上具有一个光纤进口和一个光纤出口，所述探头壳体内设有一个反光镜，用于将从所述光纤进口处射入的激光反射到所述光纤出口处的光纤内。