CN102200506B - 双模远距离红外气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双模远距离红外气体传感器，具有主动工作模式和被动工作模式，所述的主动工作模式为：所述的量子级联激光器所发出红外激光，穿越所需探测的气体区域，经待测气体分子选择性吸收后，由量子阱红外探测器吸收，据此对大气污染物进行定性探测和定量分析；所述的被动工作模式为：待测的红外信号经过本地光学系统收集，然后通过外差原理进行信号放大和分析。本发明双模远距离红外气体传感器可以很方便在主动工作模式和被动工作模式这两种情况下进行切换，而这两种模式共用几乎所有的设备组件，包括红外激光器光源、红外探测器、光具组、电源、信号处理模块等各个部分，没有增加额外的复杂度和器件成本。

Description

双模远距离红外气体传感器

技术领域

本发明涉及一种红外气体传感器，具体涉及一种双模远距离红外气体传感器，可广泛应用于环境污染气体远距离检测、工矿气体远距离检测等场合。

背景技术

进入工业时代以来，伴随着人类的生产和生活，大量的气体被排放到大气之中，导致了日益严重的环境和气候问题，包括温室效应、酸雨、臭氧层减薄等。随之而来，人们对可以用于环境检测的气体传感器的需求量将急剧增长，性能要求也逐渐提高。大气污染物具有成分复杂、浓度低、来源广泛、影响因素众多等特点，给气体传感器提出了很高的要求。同时，对环境气体的分析也往往需要远距离实施。除用于环境气体分析之外，远距离红外气体传感器也可以用于工矿业的气体分析。

大多数非对称双原子和多原子分子气体在红外波段都有红外特征吸收峰，可以用其吸收光谱来进行定性辨识和定量分析，红外吸收气体分析技术已成为气体分析的主流技术和重要发展方向。目前最成熟的红外吸收光谱技术是傅立叶红外光谱仪，其分析范围覆盖了近、中和远红外波段，可以同时分析多种气体，具备良好的可靠性。但FTIR价格昂贵；体积庞大笨重，不变携带；为获取较好的灵敏度，其探测器部分需要用液氮冷却；光谱扫描和数据计算耗时很久，速度很慢；此外也具备操作复杂，维护不变等缺点。

近年来，随着半导体材料和纳米科学的发展，出现了一种创新的红外气体传感技术，那就是基于半导体激光器的红外气体传感器。具备以下独特的优点：探测灵敏度高，可达到百万分之一(ppm)至十亿分之一(ppb)甚至万亿分之一(ppt)等级，能够满足高端需求；另外，它们可探测的区域范围广、气体种类多、响应时间快。在此基础上，我们发明了一种双模红外气体传感器，用以实现对环境和工矿气体的远距离探测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种双模远距离红外气体传感器，利用气体分子对光的选择性吸收实现对气体的定性和定量分析。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种双模远距离红外气体传感器，具有主动工作模式和被动工作模式；

所述的主动工作模式为：所述的量子级联激光器所发出红外激光，穿越所需探测的气体区域，经待测气体分子选择性吸收后，由量子阱红外探测器吸收，据此对大气污染物进行定性探测和定量分析；

所述的被动工作模式为：待测的红外信号经过本地光学系统收集，然后通过外差原理进行信号放大和分析；

所述双模远距离红外气体传感器包括：

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；

第一半导体热电制冷器，与所述电路和人机交换模块连接，用于实现温度控制；

量子级联激光器，固定在所述第一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；

第一离轴抛物镜，用于改变所述量子级联激光器发射的红外激光的传导方向；

第二半导体热电制冷器，与所述电路和人机交换模块连接，用于实现温度控制；

量子阱红外探测器，固定在所述第二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；

和第二离轴抛物镜，用于改变红外激光的传导方向，从而使其被所述量子阱红外探测器探测到。

本发明具有以下优点：

1.发明的双模远距离红外气体传感器具备主动和被动两种工作模式，可以根据工作场合，在这两种工作模式中进行方便的切换。

2.测量范围广。波长覆盖中、远红外波段(即3至10微米)。在此波长区域内，绝大多数气体具备特征吸收峰，可以对数十种气体(包括甲烷，氨气，氮氧化物，氮氧化物，烃，醚等)进行定性和定量检测。可以同时测量多种气体组分。

3.探测灵敏度、分辨率高。视探测气体种类不同，探测精度可达十亿分之一(ppb)至百万分之一(ppm)量级，远高于现有其他类型的气体传感器例如半导体类、催化燃烧类、电化学类等，也高于非分光型红外气体传感器。

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是本发明的双模远距离红外气体传感器结构示意图；

图2是本发明的主动工作模式原理示意图；

图3是本发明的被动工作模式原理示意图。

图中的附图标记为：1、第一半导体热电制冷器；2、量子级联激光器；3、第一离轴抛物镜；4、半导体可见光激光器；5、望远镜；6、第二离轴抛物镜；7、第二半导体热电制冷器；8、量子阱红外探测器；9、电路和人机交互模块；10、90°立体反射镜；11、分束片；12、本地平台；13、所探测空间区域。

具体实施方式

如图1所示，本发明的双模远距离红外气体传感器，包括：电路和人机交换模块9，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1，与电路和人机交换模块9连接，用于实现温度控制；量子级联激光器2，固定在第一半导体热电制冷器1上并与电路和人机交换模块9连接，用于发射红外激光；第一离轴抛物镜3，用于改变量子级联激光器2发射的红外激光的传导方向；第二半导体热电制冷器7，与电路和人机交换模块9连接，用于实现温度控制；量子阱红外探测器8，固定在第二半导体热电制冷器1上并与电路和人机交换模块9连接，用于接收红外激光；和第二离轴抛物镜6，用于改变红外激光的传导方向，从而使其被量子阱红外探测器8探测到。

本发明的双模远距离红外气体传感器，还可以包括：一个90°立体放射镜10，用于反射红外激光。

本发明的双模远距离红外气体传感器，还可以包括：一个分束片11，用于将量子级联激光器2发射的红外激光分为两束，其中一束用于测量，另一束用于校准；或一个半导体可见激光器4，与电路和人机交换模块连接，用于发射校准用的红外激光。基于上述两种结构本发明还需包括一个望远镜5，用于观测校准用的红外激光，调整90°立体反射镜10的放置角度。

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。

本发明的双模远距离红外气体传感器具有两种工作模式：

主动工作模式，即所述的量子级联激光器所发出红外激光，穿越所需探测的气体区域，经待测气体分子选择性吸收后，由量子阱红外探测器吸收，据此对大气污染物进行定性探测和定量分析(后面结合图2和实施例一详细介绍)；

和被动工作模式，即待测的红外信号经过本地光学系统收集，然后通过外差原理进行信号放大和分析(后面结合图3和实施例二详细介绍)。

可以根据工作场合，在两种工作模式中进行方便的切换。

实施例一

如图2所示是发明的双模远距离红外气体传感器的主动工作模式，需要利用到本地平台12和90°立体反射镜10这两部分。将本地平台12和90°立体反射镜10置于所探测空间区域13的两侧。在本地平台12中，由可调谐的量子级联激光器2所发出激光，经第一离轴抛物镜3汇聚成平行光，穿透所探测空间区域13并且到达90°立体反射镜10，反射光经本地平台上的红外探测器所吸收。在这个过程中间，红外激光两次穿越所探测空间区域13，待测气体分子会对其进行选择性吸收，致使特定波长的光减弱。经红外探测器所探测到的信号随即输入电路和人机交换模块9中进行信号锁相、放大、分析和储存，据此对大气污染物进行定性探测和定量分析。

在此实施例中，可以设置一个半导体可见激光器4，与电路和人机交换模块连接，用于发射校准用的红外激光；和一个望远镜5，用于观测校准用的红外激光，调整90°立体反射镜10的放置角度。

实施例二

在被动工作模式下，只需要利用到本地平台这一部分。外来的红外信号经过本地光学系统收集，然后通过外差原理进行信号放大和分析。具体方法为，将本地部分12对准所探测空间区域13，量子阱红外探测器8采集红外信号。在图3所示状态中，量子级联激光器2就成了一个本地振荡器，通过分束片11，外来红外信号将与量子级联激光器2所发出的红外激光进行外差耦合。耦合后所得的光信号经红外探测器8探测，将光信号转化为电信号，随即输入电路和人机交换模块9中进行信号锁相、放大、分析和储存。外差技术能够将很弱的信号进行放大。

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 (7)

1.一种双模远距离红外气体传感器，其特征在于，

具有主动工作模式和被动工作模式；

所述的主动工作模式为：量子级联激光器所发出红外激光，穿越所需探测的气体区域，经待测气体分子选择性吸收后，由量子阱红外探测器吸收，据此对大气污染物进行定性探测和定量分析；

所述的被动工作模式为：待测的红外信号经过本地光学系统收集，然后通过外差原理进行信号放大和分析；

所述双模远距离红外气体传感器包括：

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；

第一半导体热电制冷器，与所述电路和人机交换模块连接，用于实现温度控制；

量子级联激光器，固定在所述第一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；

第一离轴抛物镜，用于改变所述量子级联激光器发射的红外激光的传导方向；

第二半导体热电制冷器，与所述电路和人机交换模块连接，用于实现温度控制；

量子阱红外探测器，固定在所述第二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；

和第二离轴抛物镜，用于改变红外激光的传导方向，从而使其被所述量子阱红外探测器探测到。

2.如权利要求1所述的双模远距离红外气体传感器，其特征在于，还包括一个90°立体放射镜，用于反射红外激光。

3.如权利要求2所述的双模远距离红外气体传感器，其特征在于，还包括一个分束片，用于将所述量子级联激光器发射的红外激光分为两束，其中一束用于测量，另一束用于校准。

4.如权利要求2所述的双模远距离红外气体传感器，其特征在于，还包括一个半导体可见激光器与所述电路和人机交换模块连接，用于发射校准用的红外激光。

5.如权利要求3或4所述的双模远距离红外气体传感器，其特征在于，还包括一个望远镜，用于观测校准用的红外激光，调整所述的90°立体反射镜的放置角度。

6.如权利要求1所述的双模远距离红外气体传感器，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。

7.如权利要求1所述的双模远距离红外气体传感器，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。

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