CN103645156B - 一种tdlas气体检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种TDLAS气体检测方法及系统，所述方法包括：半导体激光器出射的线激光入射到传输光纤；传输光纤出射的线激光入射到全反射镜；全反射镜将线激光反射后入射到垂直放置的气室；入射到气室的线激光经第一透镜组反射后从线激光的入射面出射；分析装置接收垂直放置的气室出射的线激光进行检测，混合气体由于各个气体的比重不同，在垂直放置的气室中分层，激光入射到垂直放置的气室内后，经过第一透镜组反射后从激光的入射面出射，激光可以照射到垂直放置的气室中的每一层气体，防止出现气体漏检的情况，减小混合气体检测的误差。

Description

一种TDLAS气体检测方法及系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种TDLAS气体检测方法及系统。

背景技术

可调谐半导体激光吸收光谱（TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy，TDLAS）分析方法，是常用的气体分析方法，主要是利用半导体激光器的可调谐和窄线宽特性，通过选择待测气体的某条特定的吸收光谱线进行测量，可排除其他气体的光谱的干扰，实现待测气体浓度的快速在线检测。

TDLAS技术是一种高分辨率的光谱吸收技术，激光穿过被测气体的光强衰减可用朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律公式（1）表述：

A=lg(1/T)=Kbc(1)

其中，A为吸光度，T为透射比，是投射光强度比上入射光强度；c为吸光物质的浓度，b为吸收层厚度，吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度b成正比。公式（1）表明气体浓度越高，对光的衰减越大。因此，可通过测量气体对激光的衰减来测量气体的浓度。

TDLAS激光气体分析过程中，由可调谐半导体激光器光源输出的激光，经过光纤传输至气室。气室有一个进气口和一个排气口，待测气体由进气口输入，由排气口排出。激光逆着待测气体流动的方向射入，接收从气室出射的激光，分析出射激光的光谱，即可检测待测气体的浓度。如图1所示。

标准气室水平摆放，与激光入射的方向一致。当静态标准气室中装的是比重不同的混合气体时，由于地球引力，混合气体自身密度不同，会出现分层现象，造成无法保证激光光束可以通过所有气体的吸收层，所以当激光照进标准气室的时候，激光光束有可能只能照射到一部分气体的吸收层，导致气体检测时出现漏层或者无法检测到所要检测的气体，这样测量出的气体浓度值误差大或者测量结果错误。

比如：标准气室中充有氨气和氮气两种混合气体。在标准状况下，氨气的密度是0.75893g/L,氮气的密度是1.25g/L，可知，当标准气室水平摆放时，标准气室中氨气会浮在氮气之上，所以激光很可能只照射到单一气体，不能反映真实的氨气和氮气的浓度比。

一般情况下，在实际测量过程中，气室的摆放与标定的水平有一定的角度，如图2所示。所以无法保证激光照射到的气体层与标定的水平情况下照射到的气体层一致，这样测量出来的结果会出现明显的偏差。如图2所示，当气室的摆放与标定的水平有一定角度的偏转（从L倾斜到L1）时，接触到氨气的光程只有DP段,而DP<MN，从而测量的氨气和氮气的浓度值误差大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种TDLAS气体检测方法及系统，激光入射到垂直放置的气室，再接收从激光的入射面出射的激光进行检测，减小由于不同比重的气体在气室中分层所带来的检测的误差。

一种TDLAS气体检测方法，所述方法包括：

半导体激光器出射的线激光入射到传输光纤；

传输光纤出射的线激光入射到全反射镜；

全反射镜将线激光反射后入射到垂直放置的气室；

入射到气室的线激光经第一透镜组反射后从线激光的入射面出射；

分析装置接收垂直放置的气室出射的线激光进行检测。

可选的，所述传输光纤出射的线激光入射到全反射镜后还包括：

全反射镜将线激光反射后入射到第二透镜组扩束成带状激光；

则全反射镜将线激光反射后入射到垂直放置的气室；入射到气室的线激光经第一透镜组反射后从线激光的入射面出射；分析装置接收垂直放置的气室出射的线激光进行检测为：

第二透镜组出射的带状激光入射到垂直放置的气室；

入射到气室的带状激光经第一透镜组反射后从带状激光的入射面出射；

分析装置接收垂直放置的气室出射的带状激光进行检测。

可选的，所述全反射镜将激光反射后入射到第二透镜组扩束成带状激光包括：

全反射镜将线激光反射后入射到凹透镜，线激光经所述凹透镜折射后出射光为发散的线激光；

凹透镜出射的发散的线激光入射到圆柱透镜的侧面，发散的线激光经所述圆柱透镜汇聚后出射光为带状激光。

可选的，所述入射到气室的带状激光经第一透镜组反射后从带状激光的入射面出射包括：

入射到垂直放置的气室的带状激光经第一透镜组反射一次后从带状激光的入射面出射；

或者，

入射到垂直放置的气室的带状激光经第一透镜组反射多次后从带状激光的入射面出射。

一种TDLAS气体检测系统，所述系统包括：

半导体激光器、传输光纤、全反射镜、垂直放置的气室、第一透镜组以及分析装置；

所述半导体激光器，用于出射线激光；

所述传输光纤，用于将激光器出射的线激光传输至全反射镜；

所述全反射镜，用于将线激光反射后入射到垂直放置的气室；

所述第一透镜组，用于将入射到气室的线激光反射后从线激光的入射面出射；

所述垂直放置的气室，用于放置待测气体；

所述分析装置，用于对垂直放置的气室出射的线激光进行检测。

可选的，所述系统还包括：

第二透镜组，用于将全反射镜反射后的线激光扩束成带状激光后入射到垂直放置的气室；

则所述第一透镜组，具体用于将入射到气室的带状激光反射后从带状激光的入射面出射；

所述分析装置，用于对垂直放置的气室出射的带状激光进行检测。

可选的，所述第二透镜组包括：

凹透镜和圆柱透镜；

所述凹透镜，用于将传输光纤出射的线激光折射，出射光为发散的线激光；

所述圆柱透镜，用于将凹透镜出射的发散的线激光折射汇聚，出射光为带状激光。

可选的，所述凹透镜为：

单凹透镜或双凹透镜。

可选的，所述第一透镜组包括：

靠近垂直放置的气室的底面放置的第一全反射镜；

第一全反射镜，用于将入射到垂直放置的气室的带状激光反射一次后从带状激光的入射面出射。

可选的，所述第一透镜组包括：

靠近垂直放置的气室的带状激光入射面放置的第二全反射镜；

靠近垂直放置的气室的底面放置的第三全反射镜和第四全反射镜；

第二全反射镜、第三全反射镜和第四全反射镜用于将入射到垂直放置的气室的带状激光反射多次后从带状激光的入射面出射。

由上述内容可知，本发明有如下有益效果：

本发明提供了一种TDLAS气体检测方法及系统，所述方法包括：半导体激光器出射的线激光入射到传输光纤；传输光纤出射的线激光入射到全反射镜；全反射镜将线激光反射后入射到垂直放置的气室；入射到气室的线激光经第一透镜组反射后从线激光的入射面出射；分析装置接收垂直放置的气室出射的线激光进行检测，混合气体由于各个气体的比重不同，在垂直放置的气室中分层，激光入射到垂直放置的气室内后，经过第一透镜组反射后从激光的入射面出射，激光可以照射到垂直放置的气室中的每一层气体，防止出现气体漏检的情况，减小混合气体检测的误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术气室水平放置时激光在气室中传输示意图；

图2为现有技术气室与水平有一定倾斜角放置时激光在气室中传输示意图；

图3为本发明一种TDLAS气体检测方法实施例一流程图；

图4为本发明入射到气室的线激光第一种可能传输方式示意图；

图5为本发明入射到气室的线激光第二种可能传输方式示意图；

图6为本发明一种TDLAS气体检测方法实施例二流程图；

图7为本发明第二透镜组结构示意图；

图8为本发明一种TDLAS气体检测系统实施例三结构示意图；

图9为本发明第一透镜组第一种结构示意图；

图10为本发明第一透镜组第二种结构示意图；

图11为本发明一种TDLAS气体检测系统实施例四结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种TDLAS气体检测方法及系统，激光入射到垂直放置的气室，再接收从激光的入射面出射的激光进行检测，避免由于不同比重的气体在气室中分层所造成的漏检，提高混合气体的检测精度。

下面结合附图对本发明实施例进行详细说明。

实施例一

图3为本发明一种TDLAS气体检测方法实施例一流程图，所述方法包括：

步骤301：半导体激光器出射的线激光入射到传输光纤。

激光器输出的光准直性好，发散角小，可以看作是线激光。

步骤302：传输光纤出射的线激光入射到全反射镜。

激光输出的线激光经过传输光纤传输至全反射镜。一般情况下，激光器输出的线激光水平传输，为了能使线激光入射至垂直放置的气室中，采用全反射镜改变线激光的传输方向。

步骤303：全反射镜将线激光反射后入射到垂直放置的气室。

线激光入射至垂直放置的气室的入射角（入射线激光与垂线之间的夹角）不进行具体限定，只要入射的线激光经过反射后能够从线激光的入射面出射即可。一般情况下，线激光入射至垂直放置的气室中采用小角度（30度以内）入射，防止出射角度太大造成整个检测系统所占的空间太大。

垂直放置的气室中有至少两种不同的气体，混合气体中的各个气体比重不同，由于重力原因，不同比重的气体在垂直放置的气室中分层，比重达的气体在下面，比重小的气体在上面，这样不同比重的气体在垂直放置的气室中基本按照比重由小到大分层排布在垂直放置的气室中。

步骤304：入射到气室的线激光经第一透镜组反射后从线激光的入射面出射。

入射到气室的线激光入射到垂直放置的气室中，再由垂直放置的气室中放置的的第一透镜组反射后从线激光的入射面出射，也就是说，线激光的入射面和反射后的线激光的出射面是同一个平面。

线激光在气室的传播过程中，线激光从垂直放置的气室的顶面传输至底面，再由底面反射回顶面，可以照射到每一层的气体，避免了线激光水平入射到气室中时，由于混合气体中各个气体比重在气室中分层所导致的激光在气室中传播的过程中照射不到某些处于底层或顶层的气体，导致对有些气体漏检的问题。将线激光入射到垂直放置的气室中，防止出现气体漏检的情况，减小混合气体检测的误差。

入射到气室的线激光经第一透镜组反射后从线激光的入射面出射有两种可能的实施方式：

第一种可能的实施方式如图4所示：

入射到垂直放置的气室的线激光经过第一全反射镜反射一次后从线激光入射面出射。

举例说明：假设垂直放置的气室中装有氨气和氮气两种不同比重的混合气体，氨气的比重小于氮气的比重，两种气体在垂直放置的气室中分层，氨气在上层，氮气在下层。线激光入射到垂直放置的气室中，再由气室中设置的第一透镜组反射后由线激光的入射面射出。线激光先依次照射垂直放置的气室中的氨气和氮气，再由第一全反射镜反射后的线激光依次照射氮气和氨气后从线激光的入射面出射。如图4所示，线激光从A端进，经过反射镜，从B端出，A和B在同一平面。线激光充分的接触氨气和氮气两种气体层,照射氨气的光程是AF+BE,照射氮气的光程为EC+CF。即使气室放置时不是绝对的垂直，与垂线有一定的角度偏移，由于线激光在垂直放置的气室中折返一次，对气室中各个气体照射的光程与气室绝对垂直放置时差别不大，误差很小可以忽略不计。

第二种可能的实施方式如图5所示：

入射到垂直放置的气室的线激光经第二全反射镜、第三全反射镜和第四全反射镜反射多次后从线激光的入射面出射。

第二种实施方式与第一种实施方式相比，线激光在垂直放置的气室中多次折返，与混合气体的接触光程长，探测精度更高。经过三个全反射镜的连续反射，线激光在垂直放置的气室中往返多次，光程变长。虽然由于地球引力，使水平进入气室的混合气体出现分层，折返的线激光逐一照射分层的气体，使每束线激光都可以经过不同比重的混合气体，这样测出的值，真实反映了不同比重的混合气体中各个气体在气室的浓度值。

步骤305：分析装置接收垂直放置的气室出射的线激光进行检测。

分析装置接收出射的线激光，对出射线激光的吸收光谱线进行测量分析，得到垂直放置的气室中混合气体中各个气体的浓度比。

由上述内容可知，本发明有如下有益效果：

半导体激光器出射的线激光入射到传输光纤；传输光纤出射的线激光入射到全反射镜；全反射镜将线激光反射后入射到垂直放置的气室；入射到气室的线激光经第一透镜组反射后从线激光的入射面出射；分析装置接收垂直放置的气室出射的线激光进行检测，混合气体由于各个气体的比重不同，在垂直放置的气室中分层，激光入射到垂直放置的气室内后，经过第一透镜组反射后从激光的入射面出射，激光可以照射到垂直放置的气室中的每一层气体，防止出现气体漏检的情况，减小混合气体检测的误差。

实施例二

图6为本发明一种TDLAS气体检测方法实施例二流程图，与实施例一相比，实施例二中对线激光扩束成带状激光进行检测，所述方法包括：

步骤601：半导体激光器出射的线激光入射到传输光纤。

步骤602：传输光纤出射的线激光入射到全反射镜。

步骤601和步骤602与实施例一类似，参考实施例一的描述，这里不再赘述。

步骤603：全反射镜将线激光反射后入射到第二透镜组扩束成带状激光。

第二透镜组将线激光扩束成带状激光，如图7所示，扩束的光路图具体为：

全反射镜将线激光反射后入射到凹透镜，线激光经所述凹透镜折射后出射光为发散的线激光；

凹透镜出射的发散的线激光入射到圆柱透镜的侧面，发散的线激光经所述圆柱透镜汇聚后出射光为带状激光。

其中，凹透镜可以是单凹透镜，也可以是双凹透镜

对激光器输出的线激光利用第二透镜组扩束后，将线激光扩束成带状激光再入射到垂直放置的气室中进行检测，增大了气室中混合气体与激光的接触面积，进一步提高了探测精度。

步骤604：第二透镜组出射的带状激光入射到垂直放置的气室。

步骤605：入射到气室的带状激光经第一透镜组反射后从带状激光的入射面出射。

所述入射到气室的带状激光经第一透镜组反射后从带状激光的入射面出射有两种可能的实施方式：

第一种可能的实施方式：

入射到垂直放置的气室的带状激光经第一透镜组反射一次后从带状激光的入射面出射。

第二种可能的实施方式：

入射到垂直放置的气室的带状激光经第一透镜组反射多次后从带状激光的入射面出射。

上述两种可能的实施方式与实施例一中入射到气室的线激光经第一透镜组反射后从线激光的入射面出射的两种可能的实施方式类似，参考图4、图5以及实施例一的描述，这里不再赘述。

第二透镜组出射的带状激光入射到垂直放置的气室中，再由气室中设置的第一透镜组反射后，从带状激光的入射面出射。带状激光从垂直放置的气室的顶面照射到气室中每一层气体后，再由第一透镜组反射回气室的顶面，垂直放置的气室中的混合气体由于比重不同在气室中分层排布，带状激光照射到每一层气体，带状气体在垂直放置的气室中折返增加了带状激光在气室中的光程，带状激光与线激光相比，光照面积增加，也就是说，增大了气室中混合气体与激光的接触面积，进一步提高了气体检测的精度。

步骤606：分析装置接收垂直放置的气室出射的带状激光进行检测。

分析装置接收带状激光，对带状激光的吸收光谱进行分析，得到垂直放置的气室中的混合气体的比例。

由上述内容可知，本发明还有如下有益效果：

将半导体激光器出射的线激光扩束成带状激光后入射到垂直放置的气室中，与线激光相比增大了气室中气体与激光接触的面积，进一步提高了气体检测的精度。

实施例三

图8为本发明一种TDLAS气体检测系统实施例三结构示意图，是与实施例一所述的方法所对应的系统，所述系统包括：

半导体激光器801、传输光纤802、全反射镜803、垂直放置的气室804、第一透镜组805以及分析装置806。

所述半导体激光器801，用于出射线激光。

激光是由受激辐射产生的线性光束，发散角很小，只有0.001弧度，接近平行。

所述传输光纤802，用于将激光器出射的线激光传输至全反射镜。

光纤是传输激光的理想介质之一，光纤在传输激光的过程中，对激光的损耗小，色散低，可对激光进行远距离传输。

所述全反射镜803，用于将线激光反射后入射到垂直放置的气室。

所述垂直放置的气室804，用于放置待测气体。

所述第一透镜组805，用于将入射到气室的线激光反射后从线激光的入射面出射。

如图9所示，所述第一透镜组804包括：

靠近垂直放置的气室的底面放置的第一全反射镜；

第一全反射镜901，用于将入射到垂直放置的气室的线激光反射一次后从线激光的入射面出射。

如图10所示，所述第一透镜组包括：

靠近垂直放置的气室的带状激光入射面放置的第二全反射镜1001；

靠近垂直放置的气室的底面放置的第三全反射镜1002和第四全反射镜1003；

第二全反射镜1001、第三全反射镜1002和第四全反射镜1003用于将入射到垂直放置的气室的线激光反射多次后从线激光的入射面出射。

所述分析装置806，用于对垂直放置的气室出射的线激光进行检测。

实施例四

图11为本发明一种TDLAS气体检测系统实施例四结构示意图，是与实施例二所述的方法所对应的系统，所述系统包括：

半导体激光器801、传输光纤802、第二透镜组1101，全反射镜803、垂直放置的气室804、第一透镜组805以及分析装置806。

所述半导体激光器801，用于出射线激光。

所述传输光纤802，用于将激光器出射的线激光传输至全反射镜。

所述全反射镜803，用于将线激光反射后入射到第二透镜组。

第二透镜组1101，用于将全反射镜反射后的线激光扩束成带状激光后入射到垂直放置的气室。

如图7所示，所述第二透镜组包括：

凹透镜701和圆柱透镜702；

所述凹透镜701，用于将传输光纤出射的线激光折射，出射光为发散的线激光；

所述圆柱透镜702，用于将凹透镜出射的发散的线激光折射汇聚，出射光为带状激光。

其中，所述凹透镜为单凹透镜或双凹透镜。

所述垂直放置的气室804，用于放置待测气体。

所述第一透镜组805，用于将入射到气室的带状激光反射后从带状激光的入射面出射。

如图11所示，所述第一透镜组805包括：

靠近垂直放置的气室的带状激光入射面放置的第二全反射镜1101；

靠近垂直放置的气室的底面放置的第三全反射镜1102和第四全反射镜1103；

第二全反射镜1101、第三全反射镜1102和第四全反射镜1103用于将入射到垂直放置的气室的带状激光反射多次后从带状激光的入射面出射。

所述分析装置806，用于对垂直放置的气室出射的带状激光进行检测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种TDLAS气体检测方法，其特征在于，所述方法包括：

半导体激光器出射的线激光入射到传输光纤；

传输光纤出射的线激光入射到全反射镜；

全反射镜将线激光反射后入射到垂直放置的气室；

入射到气室的线激光经第一透镜组反射后从线激光的入射面出射；

分析装置接收垂直放置的气室出射的线激光进行检测。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传输光纤出射的线激光入射到全反射镜后还包括：

全反射镜将线激光反射后入射到第二透镜组扩束成带状激光；

则全反射镜将线激光反射后入射到垂直放置的气室；入射到气室的线激光经第一透镜组反射后从线激光的入射面出射；分析装置接收垂直放置的气室出射的线激光进行检测为：

第二透镜组出射的带状激光入射到垂直放置的气室；

入射到气室的带状激光经第一透镜组反射后从带状激光的入射面出射；

分析装置接收垂直放置的气室出射的带状激光进行检测。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述全反射镜将激光反射后入射到第二透镜组扩束成带状激光包括：

全反射镜将线激光反射后入射到凹透镜，线激光经所述凹透镜折射后出射光为发散的线激光；

凹透镜出射的发散的线激光入射到圆柱透镜的侧面，发散的线激光经所述圆柱透镜汇聚后出射光为带状激光。

4.根据权利要求2-3任意一项所述的方法，其特征在于，所述入射到气室的带状激光经第一透镜组反射后从带状激光的入射面出射包括：

入射到垂直放置的气室的带状激光经第一透镜组反射一次后从带状激光的入射面出射；

或者，

入射到垂直放置的气室的带状激光经第一透镜组反射多次后从带状激光的入射面出射。

5.一种TDLAS气体检测系统，其特征在于，所述系统包括：

半导体激光器、传输光纤、全反射镜、垂直放置的气室、第一透镜组以及分析装置；

所述半导体激光器，用于出射线激光；

所述传输光纤，用于将激光器出射的线激光传输至全反射镜；

所述全反射镜，用于将线激光反射后入射到垂直放置的气室；

所述第一透镜组，用于将入射到气室的线激光反射后从线激光的入射面出射；

所述垂直放置的气室，用于放置待测气体；

所述分析装置，用于对垂直放置的气室出射的线激光进行检测。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

第二透镜组，用于将全反射镜反射后的线激光扩束成带状激光后入射到垂直放置的气室；

则所述第一透镜组，具体用于将入射到气室的带状激光反射后从带状激光的入射面出射；

所述分析装置，用于对垂直放置的气室出射的带状激光进行检测。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第二透镜组包括：

凹透镜和圆柱透镜；

所述凹透镜，用于将传输光纤出射的线激光折射，出射光为发散的线激光；

所述圆柱透镜，用于将凹透镜出射的发散的线激光折射汇聚，出射光为带状激光。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述凹透镜为：

单凹透镜或双凹透镜。

9.根据权利要求6-8任意一项所述的系统，其特征在于，所述第一透镜组包括：

靠近垂直放置的气室的底面放置的第一全反射镜；

第一全反射镜，用于将入射到垂直放置的气室的带状激光反射一次后从带状激光的入射面出射。

10.根据权利要求6-8任意一项所述的系统，其特征在于，所述第一透镜组包括：

靠近垂直放置的气室的带状激光入射面放置的第二全反射镜；

靠近垂直放置的气室的底面放置的第三全反射镜和第四全反射镜；

第二全反射镜、第三全反射镜和第四全反射镜用于将入射到垂直放置的气室的带状激光反射多次后从带状激光的入射面出射。