CN104568790A - 一种消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法，应用于气体探测装置，所述气体探测装置包括信号源、驱动电路、温度控制电路、激光器、检测气室和光电探测器，所述信号源连接所述驱动电路，所述驱动电路和温度控制电路均连接所述激光器，所述激光器和光电探测器分别设置在所述检测气室的两端。本发明的消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法采用波长扫描的方式消除导致激光器中心波长偏离气体吸收波长的中心造成的检测误差。能有效降低气体检测系统对于激光器稳定度的要求，从而降低系统的成本和校准设备的成本。本发明能够降低激光器在生产调试中的困难，基本可以做免调试，为批量生产带来便利。

Description

一种消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法

技术领域

本发明涉及一种消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法。

背景技术

光纤式传感器的气体检测技术通过检测特定波长的光通过气体之后光强度的变化，进而可以计算出气体的浓度。

气体在吸收光子的能量并转换为其它能量时，气体分子都有带有自身特征的吸收谱，气体分子发生吸收效应的条件必须是光源发出光的谱线与气体分子吸收的谱线相同，发生吸收效应之后光的强度将会相应减小。气体分子特征吸收光谱与其对应的波长相关，吸收的能量为某两个相邻能级之间的光子所具有的能量。

但在实际测量中，由于在近红外波段气体的吸收谱宽通常都很窄，而DFB光源的谱线也较窄，通常为0.2nm，因此，检测系统的光源漂移会对检测系统的灵敏度和精准度造成很大影响。因此，必须采用合适的检测方法尽可能减小系统误差，提高系统灵敏度。

当前主要通过不断提高DFB器件工作温度和工作电流的稳定度来得到恒定的波长，但由于控制电路的误差，仍然会导致激光器中心波长偏离气体吸收波长的中心，造成检测误差。这种误差经过长时间积累尤为明显。

因此，需要一种新的消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法以解决上述问题。

发明内容

发明目的：针对激光器的中心波长发生漂移影响测量精度的问题，本发明提供了一种消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法。

技术方案：为达到上述发明目的，本发明的消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法采用以下技术方案：

一种消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法，应用于气体探测装置，所述气体探测装置包括信号源、驱动电路、温度控制电路、激光器、检测气室和光电探测器，所述信号源连接所述驱动电路，所述驱动电路和温度控制电路均连接所述激光器，所述激光器和光电探测器分别设置在所述检测气室的两端，其特征在于：包括以下步骤：

1)、设置激光器的驱动信号I为最大工作电流Imax和最小工作电流Imin的平均值Iave，；

2)、通过温度控制电路设置激光器的工作温度T和步进温度为△T，其中，Tmin<＝T<＝Tmax,Tmin为最低工作温度，Tmax为最高工作温度；

3)、利用光电检测器得到工作温度T时的输出值m，令T＝T+△T；

4)、重复步骤2)-3)，直到将激光器的工作温度范围[Tmin,Tmax]遍历完毕；

5)、找出输出值最大的工作温度T1，并将激光器的工作温度设置为T1；

6)、设置激光器的工作电流I和步进电流为△I；

7)、利用光电检测器得到激光器工作电流I时的输出值m1，令I＝I+△T；

8)、重复步骤6)-7)，直到将激光器的工作电流范围[Imin,Imax]遍历完毕；

9)、找出输出值最大的工作电流I1；

10)、利用电流I1作为驱动信号驱动激光器进行检测。

更进一步的，重复N次步骤6)-9)，并记录每次输出值最大的工作电流T1i，其中，i＝1，2…N，利用N次的输出值最大的工作电流T1i的平均值作为激光器的驱动信号。通过多点平均算法消除了噪声，保证了结果的准确性。

更进一步的，N为20。

更进一步的，所述驱动电路包括NPN型三极管T和激光管，所述NPN型三极管T的发射极接地，基极连接激励信号，集电极通过电阻R1连接激光管的一端并通过串联连接的电阻R2和电阻R3连接激光管的另一端，还包括电容C1，电容C1与电阻R3并联，激光管的另一端通过电感L连接扫描电流源。

当扫描电流以连续线性增长的形式周期作用于激光管时，激光管输出的激光波长则周期性的扫过气体的吸收峰点。由于扫描的波长范围远大于气体的吸收谱线宽度，必然能够覆盖气体的吸收点，有效的克服了激光器波长恒定时自身漂移带来的误差。

更进一步的，所述激光器为DFB激光器。

更进一步的，当步骤9)中输出值最大的工作电流I1为最大工作电流Imax时，令Imax＝Imax+Ixiu，并重复步骤6)-9)，其中，Ixiu是修正电流，Imax时最大工作电流；步骤9)中当输出值最大的工作电流I1为最小工作电流Imin时，令Imin＝Imin-Ixiu，并重复步骤6)-9)，其中，Ixiu是修正电流，Imin是最小工作电流。

更进一步的，当步骤5)中输出值最大的工作温度T1为最大工作温度Tmax时，令Tmax＝Tmax+Txiu,并重复2)-5)；当步骤5)中输出值最大的工作温度T1为最小工作温度Tmin时，令Tmin＝Tmin-Txiu,并重复2)-5)。

更进一步的，步骤5)中还包括以下步骤：

一、通过温度控制电路设置激光器的工作温度T和步进温度△T’,其中，△T’＜△T，令Tmin＝T1-△，Tmax＝T1+△，其中，Tmin<＝T<＝Tmax,△为精确扫描激光器工作温度的范围参数；

二、利用光电检测器得到工作温度T时的输出值m，令T＝T+△T’；

三、重复步骤一-二，直到将激光器的工作温度范围[T1-△,T1+△]遍历完毕；

四、找出输出值最大的工作温度T2，然后令T1＝T2。

更进一步的，步骤9)中还包括以下步骤：

一、设置激光器的工作电流I和步进电流为△I’,其中，△I’＜△I，令Imin＝I1-△’，Imax＝I1+△’，其中，Imin<＝I<＝Imax,△’为精确扫描激光器工作电流的范围参数；

二、利用光电检测器得到工作温度I时的输出值m，令I＝I+△I’；

三、重复步骤一-二，直到将激光器的工作电流范围[I1-△,I1+△]遍历完毕；

四、找出输出值最大的工作温度I2，然后令I1＝I2。

有益效果：本发明的消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法采用波长扫描的方式消除导致激光器中心波长偏离气体吸收波长的中心造成的检测误差。本发明能降低气体检测系统对于激光器稳定度的要求，从而降低系统的成本和校准设备的成本。本发明能够降低激光器在生产调试中的困难，基本可以做免调试，为批量生产带来便利。

附图说明

图1为激光器的激励波形；

图2为激光器的驱动电流合成电路；

图3为激光器激励的方法流程图；

图4为激励装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

请参阅图1、图2、图3和图4所示，本发明的消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法，应用于气体探测装置，气体探测装置包括信号源、驱动电路、温度控制电路、激光器、检测气室和光电探测器，信号源连接驱动电路，驱动电路和温度控制电路均连接激光器，激光器和光电探测器分别设置在检测气室的两端。其中，驱动电路包括NPN型三极管T，NPN型三极管T的发射极接地，基极连接激励信号，集电极通过电阻R1连接激光管的一端并通过串联连接的电阻R2和电阻R3连接激光器的另一端，还包括电容C1，电容C1与电阻R3并联，激光管的另一端通过电感L连接扫描电流源。本发明所用的激光器优选为DFB激光器。

包括以下步骤：

1)、设置激光器的驱动信号I为最大工作电流Imax和最小工作电流Imin的平均值Iave，；

2)、通过温度控制电路设置激光器的工作温度T和步进温度为△T，其中，Tmin<＝T<＝Tmax,Tmin为最低工作温度，Tmax为最高工作温度；

3)、利用光电检测器得到工作温度T时的输出值m，令T＝T+△T；

4)、重复步骤2)-3)，直到将激光器的工作温度范围[Tmin,Tmax]遍历完毕；

5)、找出输出值最大的工作温度T1，并将激光器的工作温度设置为T1；当输出值最大的工作温度T1为最大工作温度Tmax时，令Tmax＝Tmax+Txiu,并重复2)-5)；当步骤5)中输出值最大的工作温度T1为最小工作温度Tmin时，令Tmin＝Tmin-Txiu,并重复2)-5)。

6)、设置激光器的工作电流I和步进电流为△I；

7)、利用光电检测器得到激光器工作电流I时的输出值m1，令I＝I+△T；

8)、重复步骤6)-7)，直到将激光器的工作电流范围[Imin,Imax]遍历完毕；

9)、找出输出值最大的工作电流I1；当输出值最大的工作电流I1为最大工作电流Imax时，令Imax＝Imax+Ixiu，并重复步骤6)-9)，其中，Ixiu是修正电流，Imax时最大工作电流；步骤9)中当输出值最大的工作电流I1为最小工作电流Imin时，令Imin＝Imin-Ixiu，并重复步骤6)-9)，其中，Ixiu是修正电流，Imin是最小工作电流。

10)、利用电流I1作为驱动信号驱动激光器进行检测。重复N次步骤6)-9)，并记录每次输出值最大的工作电流T1i，其中，i＝1，2…N，优选的N为20。利用N次的输出值最大的工作电流T1i的平均值作为激光器的驱动信号。通过多点平均算法消除了噪声，保证了结果的准确性。

实施例1：

本发明的消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法，包括以下步骤：

1、设置激光器的驱动信号I为0mA，将DFB扫描电流设定为最大工作电流Imax和最小工作电流Imin的平均值Iave，其中，Iave＝45mA；

2、将DFB制冷器将DFB激光器的工作温度从10℃变化至40℃，步进温度为2℃，找出检测系统输出最大值时对应的温度T1；

具体的：一、将工作温度通过温度控制电路设置激光器的工作温度T和步进温度为△T，其中，Tmin<＝T<＝Tmax,Tmin为最低工作温度，Tmax为最高工作温度；二、利用光电检测器得到工作温度T时的输出值m，令T＝T+△T；三、重复步骤一-二，直到将激光器的工作温度范围[Tmin,Tmax]遍历完毕；四、找出输出值最大的工作温度T1，并将激光器的工作温度设置为T1，其中，当输出值最大的工作温度T1为最大工作温度Tmax时，令Tmax＝Tmax+Txiu,并重复步骤一-步骤四；当步骤四中输出值最大的工作温度T1为最小工作温度Tmin时，令Tmin＝Tmin-Txiu,并重复一-步骤四。

3、将DFB激光器的工作温度设置为T1，偏置电流从10mA变化至70mA，步进电流为0.1mA，找出检测系统输出最大值对应的工作电流I1，具体的：一)、设置激光器的工作电流I和步进电流为△I；二)、利用光电检测器得到激光器工作电流I时的输出值m1，令I＝I+△T；三)、重复步骤一)-二)，直到将激光器的工作电流范围[Imin,Imax]遍历完毕；四)、找出输出值最大的工作电流I1；当输出值最大的工作电流I1为最大工作电流Imax时，令Imax＝Imax+Ixiu，并重复步骤一)-四)，其中，Ixiu是修正电流，Imax时最大工作电流，本发明中Ixiu＝5mA；当输出值最大的工作电流I1为最小工作电流Imin时，令Imin＝Imin-Ixiu，并重复步骤一)-4)，其中，Ixiu是修正电流，Imin是最小工作电流，本发明中Ixiu＝5mA。

4、利用电流I1作为驱动信号驱动激光器进行检测。重复N次步骤3，并记录每次输出值最大的工作电流T1i，其中，i＝1，2…N，优选的N为20。利用N次的输出值最大的工作电流T1i的平均值作为激光器的驱动信号。通过多点平均算法消除了噪声，保证了结果的准确性。

本发明的消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法利用对DFB激光器的温度和工作电流进行动态控制消除激光器波长的漂移误差。

本发明的消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法采用波长扫描的方式消除导致激光器中心波长偏离气体吸收波长的中心造成的检测误差。能有效降低气体检测系统对于激光器稳定度的要求，从而降低系统的成本和校准设备的成本。本发明能够降低激光器在生产调试中的困难，基本可以做免调试，为批量生产带来便利。

Claims (9)

1.一种消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法，应用于气体探测装置，所述气体探测装置包括信号源、驱动电路、温度控制电路、激光器、检测气室和光电探测器，所述信号源连接所述驱动电路，所述驱动电路和温度控制电路均连接所述激光器，所述激光器和光电探测器分别设置在所述检测气室的两端，其特征在于：包括以下步骤：

1)、设置激光器的驱动信号I为最大工作电流Imax和最小工作电流Imin的平均值Iave，；

2)、通过温度控制电路设置激光器的工作温度T和步进温度为△T，其中，Tmin<＝T<＝Tmax,Tmin为最低工作温度，Tmax为最高工作温度；

3)、利用光电检测器得到工作温度T时的输出值m，令T＝T+△T；

4)、重复步骤2)-3)，直到将激光器的工作温度范围[Tmin,Tmax]遍历完毕；

5)、找出输出值最大的工作温度T1，并将激光器的工作温度设置为T1；

6)、设置激光器的工作电流I和步进电流为△I；

7)、利用光电检测器得到激光器工作电流I时的输出值m1，令I＝I+△T；

8)、重复步骤6)-7)，直到将激光器的工作电流范围[Imin,Imax]遍历完毕；

9)、找出输出值最大的工作电流I1；

10)、利用电流I1作为驱动信号驱动激光器进行检测。

2.如权利要求书1所述的消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法，其特征在于，重复N次步骤6)-9)，并记录每次输出值最大的工作电流T1i，其中，i＝1，2…N，利用N次的输出值最大的工作电流T1i的平均值作为激光器的驱动信号。

3.如权利要求书2所述的消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法，其特征在于，N为20。

4.如权利要求书1所述的消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法，其特征在于，所述驱动电路包括NPN型三极管T和激光管，所述NPN型三极管T的发射极接地，基极连接激励信号，集电极通过电阻R1连接激光管的一端并通过串联连接的电阻R2和电阻R3连接激光管的另一端，还包括电容C1，电容C1与电阻R3并联，激光管的另一端通过电感L连接扫描电流源。

5.如权利要求书1所述的消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法，其特征在于，所述激光器为DFB激光器。

6.如权利要求书1所述的消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法，其特征在于，当步骤9)中输出值最大的工作电流I1为最大工作电流Imax时，令Imax＝Imax+Ixiu，并重复步骤6)-9)，其中，Ixiu是修正电流，Imax时最大工作电流；步骤9)中当输出值最大的工作电流I1为最小工作电流Imin时，令Imin＝Imin-Ixiu，并重复步骤6)-9)，其中，Ixiu是修正电流，Imin是最小工作电流。

7.如权利要求书1所述的消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法，其特征在于，当步骤5)中输出值最大的工作温度T1为最大工作温度Tmax时，令Tmax＝Tmax+Txiu,并重复2)-5)；当步骤5)中输出值最大的工作温度T1为最小工作温度Tmin时，令Tmin＝Tmin-Txiu,并重复2)-5)。

8.如权利要求书1所述的消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法，其特征在于，步骤5)中还包括以下步骤：

一、通过温度控制电路设置激光器的工作温度T和步进温度△T’,其中，△T’＜△T，令Tmin＝T1-△，Tmax＝T1+△，其中，Tmin<＝T<＝Tmax,△为精确扫描激光器工作温度的范围参数；

二、利用光电检测器得到工作温度T时的输出值m，令T＝T+△T’；

三、重复步骤一-二，直到将激光器的工作温度范围[T1-△,T1+△]遍历完毕；

四、找出输出值最大的工作温度T2，然后令T1＝T2。

9.如权利要求书1所述的消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法，其特征在于，步骤9)中还包括以下步骤：

一、设置激光器的工作电流I和步进电流为△I’,其中，△I’＜△I，令Imin＝I1-△’，Imax＝I1+△’，其中，Imin<＝I<＝Imax,△’为精确扫描激光器工作电流的范围参数；

二、利用光电检测器得到工作温度I时的输出值m，令I＝I+△I’；

三、重复步骤一-二，直到将激光器的工作电流范围[I1-△,I1+△]遍历完毕；

四、找出输出值最大的工作温度I2，然后令I1＝I2。