CN103728270A - 一种半导体激光器调制光谱多组份气体检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种半导体激光器调制光谱多组份气体检测方法及装置，通过温控器和可调恒流源驱动半导体激光器，扫描信号源产生扫描控制信号注入温控器实现温度连续变化，驱动半导体激光器输出波长连续变化的激光，输出激光分两路，一路激光与另一路经气体吸收池的激光共同被平衡探测器接收，扫描信号源同步触发数据采集卡采集平衡探测器输出信号后输入计算机处理，给出多组份检测结果。本发明拓展了半导体激光器连续输出波长的范围，解决了电流驱动激光器输出波长范围窄，检测气体种类单一的缺陷，提供了一种单支半导体激光器实现多种气体同时检测的方法和装置。降低了多组份气体检测的成本，提高了检测效率和可靠性，用于各种气体的监测和检测行业。

Description

一种半导体激光器调制光谱多组份气体检测方法及装置

技术领域：

本发明属于光学和光谱学技术领域，主要涉及半导体激光器调制光谱的实现方法和结构，具体是一种半导体激光器调制光谱多组份气体检测方法及装置。应用于气体检测和气体吸收光谱分析等领域。

背景技术：

气体检测通常使用到红外吸收光谱技术。红外吸收光谱技术使用红外光作为检测光源。半导体激光器具有的体积小、单色性好和波长连续可调等特点，使其成为红外吸收光谱技术中普遍采用的光源器件。

半导体激光器进行气体检测使用波长调制光谱方法。波长调制是指利用电流连续变化驱动半导体激光器输出波长连续可变的激光。采用双频电流驱动半导体激光器可进一步提高气体检测的灵敏度。电流驱动激光器的连续输出波长范围是有限的。在双频电流驱动下这种输出波长范围进一步的缩小。利用电流连续变化驱动的半导体激光器一般仅能用于一种气体检测。实现多组份气体的检测就需要多支半导体激光器和相应数量的电流驱动电子线路。具体的半导体激光器的数量取决于检测气体组份的多少。就成本和系统稳定性而言，利用电流驱动的半导体激光器吸收光谱技术实现多组份气体检测存在成本高昂的缺点，使半导体激光光谱气体检测技术的应用受到限制。量子级联半导体激光器吸收光谱技术可实现高精度多组份气体检测，但量子级联半导体激光器造价昂贵，目前仅用于实验研究。

已报道文献和专利中，关于半导体激光器吸收光谱多组份气体检测技术较少。专利文献(US8155890)提出了一种汽车尾气成分的半导体激光吸收光谱检测方法及装置，该方法使用一支半导体激光器进行一种成分的检测，多种气体成分检测则需要多支激光器，相应的驱动和接收电路也要相应成倍增加，造成利用半导体激光光谱方法进行多组分气体检测存在电路结构繁复、成本高、调试困难和体积大等劣势，进而使用于气体高精度检测的半导体激光光谱方法在实际使用中受到限制。

本发明申请人在互联网上就本主题，在国内外专利文献和公开发表的期刊论文检索，尚未发现与本发明密切相关和一样的报道或文献。

发明内容：

本发明的目的是为了解决现有技术存在的半导体激光器一般仅能用于一种气体检测的问题，提出了一种采用温度调制光谱扫描，扫描光谱范围宽，造价低，可靠性高，用单支半导体激光器实现多种气体同时检测的半导体激光器调制光谱多组份气体检测方法及装置。

下面对本发明进行说明：

本发明是一种半导体激光器调制光谱多组份气体检测装置，包括有：配有热电制冷器的半导体激光器、恒流源、温控器、扫描信号源、气体吸收池、平衡探测器、信号采集卡和计算机，半导体激光器输出的激光经分波片分成两路激光，其中一路直接被平衡探测器接收，其中的另一路入射气体吸收池，经气体吸收池中气体吸收后出射，被平衡探测器接收，经平衡探测器输出的电信号，进而由信号采集卡和计算机进行分析和给出气体检测结果，半导体激光器同时接有温控器和恒流源，本发明的气体检测装置为温度参与半导体激光器输出激光频率调谐控制的半导体激光器调制光谱多组份气体检测装置，半导体激光器同时接有温控器和恒流源，扫描信号源同时与温控器和数据采集卡相连，扫描信号源一路输出的信号送给温控器，扫描信号源产生的另一路同步信号控制信号采集卡对平衡探测器的信息采集，通过信号采集卡输出的光谱信息，送入计算机中进行处理分析，完成多组份的气体检测。本发明利用温度连续变化驱动半导体激光器输出波长连续变化的激光，大大拓展半导体激光器连续输出波长的范围，解决了电流连续驱动半导体激光器输出波长范围窄，一支激光器仅能用于一种气体检测的缺陷，提供了一种光谱扫描范围宽，单支半导体激光器实现多种气体同时检测的半导体激光光谱气体检测装置。

本发明的实现还在于：半导体激光器输出的激光波长是连续变化的波长，激光波长连续变化是通过温控器控制半导体激光器的工作温度连续变化而形成的。温控器通过改变接在半导体激光器内部的热电制冷器件的电流实现温度控制，温控器在扫描信号源信号控制下形成连续变化的温度控制信号，进而控制半导体激光器输出频率连续变化的激光。

本发明还是一种半导体激光器调制光谱多组份气体检测方法，采用温度变化和恒流信号共同控制调制半导体激光器，其实现包括：

(1)可调恒流源产生恒定电流注入半导体激光器，该恒定电流大于半导体激光器的阈值电流，使半导体激光器输出波长恒定的激光。

(2)温控器在扫描信号源扫描信号控制下产生连续变化的温度控制信号，控制半导体激光器，输出波长连续变化的激光。

(3)半导体激光器输出的激光经分波片分成两路激光，其中一路直接进入平衡探测器，另一路经过气体吸收池后也进入平衡探测器，平衡探测器对接收的两路光信号进行光电转换和消除共模噪声，平衡探测器输出为两路输入信号的比值。

(4)利用同一扫描信号源向数据采集卡发送同步信号，控制数据采集卡开始采集平衡探测器的输出信号，同时扫描信号源向温控器发送扫描信号。

(5)在同步信号控制下经数据采集卡将从平衡探测器接收到的信号送入到计算机中进行与标定信号对比、分析、处理，得到被测气体的种类及浓度数据，完成多组份气体检测。

本方法采用连续变化温度控制半导体激光器输出频率连续变化的激光，有效地降低半导体激光器受连续变化电流驱动易受冲击而造成的损害和失效风险，采用温度控制驱动半导体激光器可以使输出激光频率的变化范围远远大于电流变化驱动半导体激光器的频率范围，涵盖更宽的气体激光吸收光谱宽度，容纳更多不同气体成分的激光吸收光谱的重叠区域，进而采用该方法驱动控制单支半导体激光器对不同气体成分的激光吸收光谱重叠区域扫描，实现多种气体成分的识别和度量。本方法结合长光程光学吸收池通过光程数量级的成倍扩展提高检测灵敏度，本发明还通过双平衡探测器消除半导体激光器输出的斜坡共模噪声，进一步提高检测精度。该方法可有效地改进电流驱动控制半导体激光光谱检测方法所存在的问题，使用该方法形成的半导体激光器调制光谱多组份气体检测装置，相对于传统的电流驱动半导体激光器调制光谱多组份气体检测装置具有电路结构单一、造价便宜、调试易行和体积小等优势，可用于气体高精度检测，同时使半导体激光吸收光谱方法在实际的多组份气体检测应用中得到普及和工程化使用。

本发明的实现还在于：用于驱动温控器的扫描信号或是斜坡信号，或是三角波信号，或者是梯形信号。扫描信号可以是根据控制需要选用多种形式的信号，不局限于一种，扫描信号选择范围宽，易于实现。

本发明相对现有技术而言，具有以下优点：

1.本发明利用控制半导体激光器的工作温度连续变化，使半导体激光器输出波长连续变化范围更宽，可覆盖多种气体成分的激光吸收光谱交叠区域，从而实现使用单支半导体激光器对多种气体同时检测，简化了装置的构成和结构，大大降低了成本。

2.本发明利用控制半导体激光器的工作温度连续变化，使半导体激光器输出波长连续变化的激光，相对于电流调制驱动可大大扩展输出扫描光谱的范围；

3.本发明利用控制半导体激光器的工作温度连续变化，驱动半导体激光器输出波长连续变化的激光，使驱动电流恒定不变，而利用控制连续变化的温度驱动半导体激光器工作可有效防止电流调制驱动击穿半导体激光器的风险，提高了工作可靠性。

附图说明：

图1是本发明的检测装置原理框图，也是本发明的构成示意图；

图2是本发明实例6实现CO、CO2和O2三种气体检测选择的光谱吸收谱线；

图3是本发明实例8平衡探测器接收一路经吸收池的激光信号；

图4是本发明实例8平衡探测器接收一路未经吸收池的激光信号；

图5是本发明实例8平衡探测器的输出信号；

图6是CO、CO2和O2三种气体1-2um的光谱吸收谱线。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明：

实施例1：

本发明是一种半导体激光器调制光谱多组份气体检测装置，参见图1，本发明的多组份气体检测装置包括有：配有热电制冷器的半导体激光器、恒流源、温控器、扫描信号源、气体吸收池、平衡探测器、信号采集卡和计算机，气体吸收池采用White气体吸收池。本发明中半导体激光器输出的激光经分波片分成两路激光，其中一路直接被平衡探测器接收，其中的另一路入射激光束入射进入气体吸收池，气体吸收池也称为光学吸收池，入射激光束在气体吸收池中多次折返经气体吸收池中气体吸收后出射，出射的激光束也被平衡探测器接收，经平衡探测器输出的电信号，进而由信号采集卡和计算机进行分析和给出气体检测结果，完成多组份气体的检测。

本发明的气体检测装置为温度参与半导体激光器输出激光频率调谐控制的半导体激光器调制光谱多组份气体检测装置，本发明中半导体激光器同时接有温控器和恒流源，扫描信号源同时与温控器和数据采集卡相连，扫描信号源一路输出的信号送给温控器，扫描信号源产生的另一路与扫描信号同步的信号控制信号采集卡对平衡探测器的信息采集，通过信号采集卡输出的激光吸收光谱信息，送入计算机，计算机中安装专用处理软件，在计算机中对采集数值进行处理分析，并给出分析结果。本发明中半导体激光器输出的激光波长是连续变化的波长，激光波长连续变化是通过温控器控制半导体激光器的工作温度连续变化而形成的。现有技术中，通过恒流源输出连续变化的电流，控制激光器输出波长连续变化，本发明的激光器也接有恒流源，但本发明中首先固定恒流源的输出，即将恒流源的输出电流大于激光器阈值且恒定不变，在此基础上由温控器产生连续的控制温度，控制激光器的输出波长连续变化，根据需要，恒流源的输出电流可以根据光谱检测范围变动重新调整电流和恒定。

本例中，半导体激光器采用调制半导体激光器，是以温控器和可调恒流源共同控制，可调恒流源产生恒定电流注入半导体激光器，该恒定电流大于半导体激光器的阈值电流，阈值电流由生产厂商给出的技术指标。恒定电流使半导体激光器输出波长恒定的激光，在此基础上通过温控器在扫描信号源控制信号控制下产生连续变化的温度控制信号，控制半导体激光器波长连续变化。气体吸收池采用长光程光学吸收池，平衡探测器是一种光电探测及转换器，平衡探测器接收光信号，输出为电信号，实现接收两路光信号，并消除两路光的共模成分后输出电信号。本发明的激光波长连续变化是通过温控器控制半导体激光器的工作温度连续变化而形成的，激光波长连续变化是与温度变化成线性增长关系，温度越高波长越长。本发明的温控器选用精度较高的温控器，保证单位温度变化下激光输出波长变化小于0.1纳米，通过电流信号接在半导体激光器的内部的热电制冷器件实现控制，温控器在扫描信号源信号控制下形成连续变化的温度控制信号，进而控制半导体激光器输出频率连续变化的激光信号。本发明利用温控器实现温度连续变化驱动半导体激光器输出波长连续变化的激光，拓展半导体激光器连续输出波长的范围，解决了电流连续驱动半导体激光器输出波长范围窄，单支半导体激光器实现多种气体的光谱同时检测。本发明利用控制半导体激光器的工作温度连续变化，使半导体激光器输出波长连续变化范围更宽，可覆盖多种气体成分的激光吸收光谱交叠区域，从而使单支半导体激光器实现多种气体检测，简化了装置的构成和结构，大大降低了成本。

实施例2：

本发明半导体激光器调制光谱多组份气体检测装置的结构和组成同实施例1，参见图2，现有技术中仅有电流驱动控制半导体激光器进行气体检测的装置仅能实现如图2中的一根谱线的检测，要么是进行氧气检测，要么只能对二氧化碳进行检测。而本发明拓展了半导体激光器连续输出波长的范围，解决了电流连续驱动半导体激光器输出波长范围窄的缺陷，用单支半导体激光器实现了多种气体的光谱同时检测，参见图2，CO和O2两种气体的吸收谱线间隔接近2nm，用电流调制驱动半导体激光器的输出波长范围仅能达到1nm，而采用本发明即温度调制驱动半导体激光器的输出波长范围可达4nm，而且本发明利用温度调制半导体激光输出可以实现CO和O2两种气体同时检测，对于电流调制驱动而言是做不到的。本发明利用控制连续变化的温度驱动半导体激光器工作可有效防止电流调制驱动击穿半导体激光器的风险，提高了工作可靠性。

实施例3：

本发明还是一种半导体激光器调制光谱多组份气体检测方法，该方法是在上述的半导体激光器调制光谱多组份气体检测装置实现，半导体激光器调制光谱多组份气体检测装置的结构和组成同实施例1-2，参见图1，采用温度变化和恒流信号共同控制调制半导体激光器，其实现包括：

(1)可调恒流源产生恒定电流注入半导体激光器，该恒定电流大于半导体激光器的阈值电流，使半导体激光器输出波长恒定的激光。激光器的阈值电流是出厂时已知的技术参数，只是需要保证可调恒流源产生恒定电流大于该阈值，保证激光器可靠工作。

(2)温控器在扫描信号源扫描信号控制下产生连续变化的温度控制信号，也参与控制半导体激光器，激光器输出波长连续变化的激光主要是受温控器的控制，本例中，用于驱动温控器的扫描信号是斜坡信号。

(3)半导体激光器输出的激光经分波片分成两路激光，其中一路直接进入平衡探测器，另一路经过气体吸收池后也进入平衡探测器，平衡探测器对接收的两路光信号进行光电转换和消除共模噪声，平衡探测器输出为两路输入信号的比值。

(4)利用同一扫描信号源向数据采集卡发送同步信号，控制数据采集卡开始采集平衡探测器的输出信号，同时扫描信号源向温控器发送扫描信号。

(5)在同步信号控制下经数据采集卡将从平衡探测器接收到的信号送入到计算机中进行与标定信号对比、分析、处理，得到被测气体的种类及浓度数据，完成对多组份气体的自动检测。

本例中采用的扫描控制信号是斜坡信号。

本发明使用温度调制驱动，用扫描信号源输出一个控制信号和一个同步信号，同步信号提供给数据采集卡，控制信号提供给温控器，温控器根据控制信号控制半导体激光器的工作温度连续变化，连续变化温度控制半导体激光器输出波长连续变化的激光，波长连续变化的激光通过待检气体后被光电探测器接收，经同步信号控制下经数据采集卡接收送入到计算机中进行处理，得到被测气体的种类及浓度数据。

本发明利用控制半导体激光器的工作温度连续变化，驱动半导体激光器输出波长连续变化的激光，使驱动电流恒定不变，而利用控制连续变化的温度驱动半导体激光器工作可有效防止电流调制驱动击穿半导体激光器的风险，提高了工作可靠性。

实施例4：

半导体激光器调制光谱多组份气体检测方法和半导体激光器调制光谱多组份气体检测装置的结构和组成同实施例1-3，本例中，气体吸收池采用Herriotte气体吸收池。用于驱动温控器的扫描信号是三角波信号。

本例中，激光器波长输出范围要求为4nm，激光器波长的温度调谐系数为0.1nm/℃，要实现激光器激光输出范围达到4nm，温度器控制变化范围40℃。

精度较高的温控器采用日本东芝公司htc1500专用温控芯片为核心，附加限流、传感器接口和温度设置及测试电路，该温控电路温控精度可达0.002℃，通过附加的温度设置接口能够方便地对激光器的半导体制冷片(TEC)进行温度调制和控制。

本例中采用的扫描控制信号是三角波信号。

本发明利用温控实现温度连续变化驱动半导体激光器输出波长连续变化的激光，大大拓展半导体激光器连续输出波长的范围，解决了电流连续驱动半导体激光器输出波长范围窄(小于1nm)，仅能用于一种气体检测的缺陷，提供了一种光谱扫描范围宽，波长扫描宽度可达4nm，单支半导体激光器实现多种气体同时检测的半导体激光光谱气体检测方法。本发明大大降低了半导体激光光谱多组份气体检测的成本，提高了检测效率和系统可靠性，本发明应用于各种气体的监测和检测行业，应用于需要对气体进行检测和监测工作环境。

实施例5：

半导体激光器调制光谱多组份气体检测方法和半导体激光器调制光谱多组份气体检测装置的结构和组成同实施例1-4，

本发明是一种半导体激光器调制光谱多组份气体检测方法，由扫描信号源同时提供一扫描控制信号和一同步信号，该扫描控制信号提供给温控器以控制半导体激光器的工作温度，通过工作温度的变化控制半导体激光器的输出波长连续变化，半导体激光器发出一定波长范围的激光分成两路，一路直接被平衡探测器接收，另一路经气体吸收池后也被平衡探测器接收，平衡探测器输出的电信号经同步信号控制的数据采集卡采集后送入计算机进行处理。

本发明采用的半导体激光器是一种调制半导体激光器，它由可调恒流源输出的恒定电流驱动，输出恒定波长的激光，在此基础上，采用半导体激光器由温控器和可调恒流源共同控制。其中，可调恒流源通过给半导体激光器注入恒定电流使激光器输出恒定波长的激光，该恒定电流大于半导体激光器的阈值电流。温控器通过半导体激光器内部的热电制冷器控制半导体激光器的工作温度，温控器在扫描信号源输入的扫描控制信号作用下，控制激光器内部的热电制冷器使半导体激光器的工作温度连续变化，对半导体激光器输出的波长进行调制，因此，激光波长的连续变化是通过温控器控制半导体激光器的工作温度连续变化而形成的。

如果因为检测气体种类的变化，引起扫描光谱范围的偏移，可以对恒流源的恒定值进行调整，以满足气体检测的需求。

本发明的待检气体组份可以是位于White气体吸收池或者Herriotte气体吸收池内，也可以是位于开放式的光路中。

本发明中的光电探测器是一种平衡探测器，可同时实现两路光信号的光电转换，并实现两路光信号共模成份的消除。

本发明采用的扫描控制信号或是斜坡信号，或是三角波信号或是梯形信号，本例中采用的扫描控制信号是梯形信号。输入温控器控制半导体的工作温度。同步信号为脉冲信号或电平信号，控制数据采集卡进行数据采集，该同步信号在时间轴上位于扫描控制信号的开始时间。扫描控制信号与同步信号的周期相同。

实施例6：

半导体激光器调制光谱多组份气体检测方法和半导体激光器调制光谱多组份气体检测装置的结构和组成同实施例1-5，

本发明涉及一种半导体激光器调制光谱多组份气体检测方法及装置。基于本发明的多组份气体检测不限于实例中说明的三种气体组份的检测，还能够实现对四组份气体、五组份气体等等，甚至更多的气体组份进行检测。气体组份检测的数量依赖于检测气体组份的吸收光谱。以CO、CO2和O2三种气体组份检测为例，结合附图和实例对本发明再做详细说明。

本发明的检测方法具体包括有如下步骤：

根据检测的多组份气体种类查找红外光谱数据库(例如：hitran和VPL光谱数据库)，以同时检测CO、CO2和O2三种气体组份为例，图6给出了CO、CO2和O2三种气体1-2um的近红外光吸收谱线，选择三种气体近红外光吸收谱线的交叠区域1.24-1.26um，将该区域局部放大后的三种气体近红外吸收谱线如图2所示，图2显示出通过查找出CO、CO2和O2三种气体单独相邻的三根吸收谱线，图中实心圆为CO谱线，实心五角表示CO2谱线，实心矩形表示O2谱线，三根谱线的跨越范围为1.5nm，考虑到气体吸收谱线的宽度，扫描的光谱范围为1.8nm。

由可调恒流源产生一恒定电流，注入到半导体激光器中，恒流值通常在100mA，参见图1，使其输出波长恒定的激光，恒定电流应大于半导体激光器的阈值电流。恒定电流的数值应使半导体激光器输出波长在涵盖所检测多组份气体总的光谱范围，参见图2，本例中半导体激光器起始输出波长可以选定在三种被检测气体总吸收光谱范围的右端、中间或左端，具体可根据需要选择其中一种方式，具体数值根据半导体激光器的电流技术指标选择。

扫描信号源产生一路扫描控制信号和一路同步信号，扫描信号源产生的扫描控制信号为低频斜坡信号、低频三角波信号或是低频梯形信号，本例中扫描控制信号为低频斜坡信号，该信号作为温控器的输入信号，使温控器控制半导体激光器内的热电制冷器产生连续变化的温度，使半导体激光器输出激光波长连续变化。

实施例7：

半导体激光器调制光谱多组份气体检测方法和半导体激光器调制光谱多组份气体检测装置的结构和组成同实施例1-6，其中，扫描控制信号为低频三角波信号。三角形状具有对称的斜边，采用三角波作为扫描控制信号可以加快扫描速度，提高激光吸收光谱信号的信噪比。

无论低频斜坡信号，还是低频三角波信号，其斜率由半导体激光器的温度调制技术指标决定，以htc1500芯片为例，其温度调制传递函数为20℃/V，如要改变调制温度，只需要改变温度设置接口的电压即可，具体改变值依据温度调制传递函数。

实施例8：

半导体激光器调制光谱多组份气体检测方法和半导体激光器调制光谱多组份气体检测装置的结构和组成同实施例1-7，其中，扫描控制信号为低频梯形信号。

半导体激光器经温度调制后，输出波长在一定范围内周期性连续变化，出射的激光经分波片，或经分波光纤，分成两路，一路进入包含待测气体组份的气体吸收池，在气体吸收池多次折返，经待测气体组份吸收后出射的激光被平衡探测器接收，另一路激光直接被平衡探测器接收，平衡探测器将该两路激光信号转换成电信号并消除两路信号的共模成份输出。平衡探测器为两路输入和一路输出的光电转换器，该仪器对两路光电探测器产生的微弱光电流进行比较去除共模噪声，并进行跨阻抗电流电压转换放大后输出。

扫描信号源产生的同步信号控制数据采集卡采集平衡探测器的输出信号，并送入计算机进行数据分析处理，得出多组份的组成及含量检测结果。

如图1所示，本发明的半导体激光器调制光谱多组份气体检测装置，包括：半导体激光器、温控器、可调恒流源、扫描信号源、分波片、气体吸收池、平衡探测器、信号采集卡和计算机。扫描信号源与温控器和数据采集卡相连，温控器和可调恒流源与半导体激光器相连，半导体激光器输出的激光经分波片分成两路激光，一路入射气体吸收池，经气体吸收池中气体吸收后出射被平衡探测器接收，一路也被平衡探测器接收，图3所示为经过气体吸收池被平衡探测器接收的光电信号，该信号在斜坡本底的基础上存在3个吸收峰，分别对应O2、CO2和CO的吸收，因为三种气体的吸收系数不等，吸收信号呈现出不同的强度，图4所示为另一路激光被平衡探测器直接接收的信号，该信号因没有气体吸收而没有吸收峰，但存在与图3相同的斜坡本底，两路信号都具有相同的斜坡本底，经平衡探测器去除两路信号相同的斜坡本底共模成份，平衡探测器得到如图5所示的光谱吸收信号，该光谱吸收信号已经消除了如图4所示的激光斜坡本底，提高了信号的信噪比，该信号经数据采集卡采集后送入计算机处理。

扫描信号源产生的同步信号控制信号采集卡采集平衡探测器输出的光谱信号，送入计算机中进行数字滤波、温度补偿和气体组份类别识别及浓度信息定标等处理，得到被测气体的种类及浓度数据。

本发明利用温控实现温度连续变化控制半导体激光器输出波长连续变化的激光，大大拓展半导体激光器连续输出波长的范围，解决了电流连续驱动半导体激光器输出波长范围窄，一支半导体激光器仅能用于一种气体检测的缺陷，提供了一种光谱扫描范围宽，单支半导体激光器实现多种气体同时检测的半导体激光光谱气体检测方法。本发明减少了多组份气体检测激光器使用的数量，大大降低了半导体激光光谱多组份气体检测的成本，提高了检测效率和系统可靠性，本发明广泛应用于气体检测行业和光谱分析领域。

本发明是一种半导体激光器调制光谱多组份气体检测方法及装置，主要用于多组份气体的检测，基于该方法形成的一种半导体激光器调制光谱多组份气体检测装置通过温控器和可调恒流源驱动半导体激光器工作，利用扫描信号源产生的扫描控制信号注入温控器实现温度连续变化，从而驱动半导体激光器输出波长连续变化的激光，半导体激光器输出的激光经分波片分为两路光束，一路光束经过气体吸收池与另一路光束共同被平衡探测器接收，扫描信号源同步触发数据采集卡采集平衡探测器输出的信号输入计算机进行处理。本发明利用温控器实现温度连续变化驱动半导体激光器输出波长连续变化的激光，大大拓展了半导体激光器连续输出波长的范围，解决了电流连续驱动半导体激光器输出波长范围窄，一支激光器仅能用于一种气体检测的缺陷，提供了一种光谱扫描范围宽，单支半导体激光器实现多种气体同时检测的半导体激光光谱气体检测方法。本发明大大降低了半导体激光光谱多组份气体检测的成本，提高了检测效率和系统可靠性，本发明应用于各种气体的监测和检测行业，应用于需要对气体进行检测和监测工作环境。

Claims (4)

1.一种半导体激光器调制光谱多组份气体检测装置，包括有：配有热电制冷器的半导体激光器、恒流源、温控器、扫描信号源、气体吸收池、平衡探测器、信号采集卡和计算机，所述半导体激光器输出的激光经分波片分成两路激光，其中一路直接被平衡探测器接收，其中的另一路入射气体吸收池，经气体吸收池中气体吸收后出射，也被平衡探测器接收，经平衡探测器输出的电信号，进而由信号采集卡和计算机进行分析和给出气体检测结果，半导体激光器同时接有温控器和恒流源，其特征在于：所述气体检测装置为温度参与半导体激光器输出激光频率调谐控制的半导体激光器调制光谱多组份气体检测装置，所述的扫描信号源同时与温控器和数据采集卡相连，扫描信号源一路输出的信号送给温控器，扫描信号源产生的另一路同步信号控制信号采集卡对平衡探测器的信息采集，通过信号采集卡输出的光谱信息，送入计算机中进行处理分析，完成气体检测。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器调制光谱多组份气体检测装置，其特征在于：所述半导体激光器输出的激光波长是连续变化的波长，激光波长连续变化是通过温控器控制半导体激光器的工作温度连续变化而形成的。

3.一种半导体激光器调制光谱多组份气体检测方法，其特征在于：采用温度变化和恒流信号共同控制调制半导体激光器，其实现包括：

(1)可调恒流源产生恒定电流注入半导体激光器，该恒定电流大于半导体激光器的阈值电流，使半导体激光器输出波长恒定的激光；

(2)温控器在扫描信号源扫描信号控制下产生连续变化的温度，控制半导体激光器，输出波长连续变化的激光；

(3)半导体激光器输出的激光经分波片分成两路激光，其中一路直接进入平衡探测器，另一路经过气体吸收池后也进入平衡探测器，平衡探测器对接收的两路光信号进行光电转换和消除共模噪声，平衡探测器输出为两路输入信号的比值；

(4)利用同一扫描信号源向数据采集卡发送同步信号，控制数据采集卡开始采集平衡探测器的输出信号；

(5)在同步信号控制下经数据采集卡将从平衡探测器接收到的信号送入到计算机中进行与标定信号对比、分析、处理，得到被测气体的种类及浓度数据，完成气体检测。

4.根据权利要求3所述的半导体激光器调制光谱多组份气体检测方法，其特征在于：用于驱动温控器的扫描信号或是斜坡信号，或是三角波信号，或者是梯形信号。

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