CN104819956A - 一种基于crds气体浓度测量系统的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于CRDS气体浓度测量系统的控制系统，包括：波长控制系统，时序控制系统以及中心控制模块；其中，中心控制模块可以设定DFB激光器的工作温度和注入电流值；扫描激光波长或无源腔腔长，由此实现激光与无源腔基模之间的共振；进行光谱扫描，以完成对腔内介质的光谱测量；监控其它各模块输出参数并协调各模块工作。本发明的基于CRDS气体浓度测量系统的控制系统，可以实现激光器的波长在几百为秒内稳定控制。

Description

一种基于CRDS气体浓度测量系统的控制系统

技术领域

本发明涉及CRDS测量系统技术领域，特别涉及一种基于CRDS气体浓度测量系统的控制系统。

背景技术

在一个完整的CRDS测量系统中，应包含以下几个系统，激光器稳频系统、腔长锁定即调节系统、衰荡事件发生系统、监测系统、探测系统以及测量显示系统。相互间的关系如图1所示，系统包括：一个可调谐单频的光源1，在光路中连有一个衰荡谐振腔20，样品探测电子学系统30，指示电子学系统40，锁定电子学系统50与谐振腔之间为光学连接。锁定系统在谐振腔与激光器之间的连接为电子学连接。指示电子学系统50与样品探测间是电子学连接。

传统的脉冲CRDS测量系统中，激光器通常采用脉冲式半导体激光器，数据获得率受限于激光器的脉冲频率。此外，由于脉冲激光器的激光频率与腔固有光谱频率重合部分较小，受脉冲激光器的脉冲频率的影响，耦合进谐振腔的并在腔内建立起来的稳定光强的也会较小。

传统的CRDS光谱测量系统中，并且没有一种高效和稳定控制的基于CRDS气体浓度测量系统的控制系统。

发明内容

本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种基于CRDS气体浓度测量系统的控制系统。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种基于CRDS气体浓度测量系统的控制系统，包括：

波长控制系统，其可通过调节激光器的温度来达到与输入信号接近的波长值；

时序控制系统，包括：比较器接收从腔光强探测器的出射信号，通过比较器来判断腔内光强是否达到设定的阈值；比较器判断腔内光强是否达到阈值连接触发器发射信号；当腔内光强达到预定值时，开关触发器发出信号，接下来将关断激光器的光源开始记录衰荡事件；延时触发器发射信号关断激光器注入电流，同时向波长控制器发射信号表示激光器关断并在一定的延时期间内保持关断；同时也向数据收集系统发射信号开始记录衰荡事件；开关触发器向发射信号的同时腔长控制系统发射信号在示踪和扫描模式系统中转换；

中心控制模块，其可以设定DFB激光器的工作温度和注入电流值；扫描激光波长或无源腔腔长，由此实现激光与无源腔基模之间的共振；进行光谱扫描，以完成对腔内介质的光谱测量；监控其它各模块输出参数并协调各模块工作。

在上述技术方案中，激光器具有温度电流调谐作用，通过持续监测温度以及查表的方式，获得适当的温度电流值使得激光器频率为正确的值。

在上述技术方案中，激光器为DFB激光器。

在上述技术方案中，谐振腔谐振频率的调制为通过调节谐振腔腔镜间距离，这个过程由安装在谐振腔一端腔镜的PZT完成，该三角形环形腔安装在球面镜处。

在上述技术方案中，腔长控制系统有示踪模式和扫描模式两个工作模式。

在上述技术方案中，激光器的关断通过调节电流使得激光器的谐振频率偏离目标值，激光器的时间为衰荡时间的5到6倍。

本发明具有以下的有益效果：

本发明的基于CRDS气体浓度测量系统的控制系统，可以实现激光器的波长在几百为秒内稳定控制。

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CRDS测量系统的系统构成示意图。

图2是连续可调谐CRDS测量系统的中心控制系统示意图。

图3是连续可调谐CRDS测量系统的波长控制系统示意图。

图4是连续可调谐CRDS测量系统的时序控制示意图。

具体实施方式

本发明的发明思想为：

连续腔震衰减光谱吸收测量系统，应包括以下的组成部分：

1)高反射率光学无源腔，可由至少两面高反射率镜子组成；

2)可调谐激光光源，理想的激光器为分布反馈式可调半导体激光器(DFB)，通过腔长调节系统，使得谐振腔的谐振频率在待测吸收气体的适当吸收频率范围内变化，再通过调谐激光器的温度电流调谐作用使得激光器与谐振腔保持谐振，这样激光器出射频率、谐振腔谐振频率和待测气体吸收频率，三者一致。

3)在目前发明的控制系统中，温度和电流的调节使得激光器的波长稳定在10MHz的范围内，实现该目的需要在测量系统中增加较高精度的波长监测器，在测量系统中与激光器形成控制闭环，在这样的控制系统中，可以实现激光器的波长在几百为秒内稳定。

本发明给出具有以上设计的CRDS光谱测量技术的测量控制系统，还包括以下几个具体的控制方案，分别为：

本发明给出了适用于连续CRDS光谱测量技术的可调谐激光光源的关断方法。在本发明中，需使得激光器的光源频率范围涵盖一个以上的腔模式范围，这样满足对不同的频率处的衰荡事件进行测量，在测量时使其在两个相邻腔模式区域间相互转换，只有其中一个腔模式区域频率涵盖待测气体吸收范围，这样可以测得有待测气体的衰荡时间和没有待测气体的衰荡时间的基线测量。本发明中使用DFB激光器，因DFB激光器具备的电流调制功能。由于DFB激光器的输出功率与其注入电流密切相关，因此可通过电流调制来实现激光的开关。这种特殊的光开关方式，可以通过对电信号的高速调制来实现光的高速开关，从而节省昂贵的电光或声光开关，并完全消除常规系统中光开关器件对系统可能造成的影响。

本发明给出了相对应的激光光源控制流程。因激光器性能由温度、电流共同控制。在激光器关断期间结束的时刻，通过调节激光器温度到适当的温度值，此时激光器进入稳定调整期，最后激光器辐射频率达到稳定的接近目标值的状态，进一步通过调节电流使得激光器辐射频率精确地满足与无源腔耦合的条件。即当探测得到腔内光强激增的情况为二者满足耦合情况。稳频电路接受控制源信号调节激光器频率精确的达到目标值，进而控制无源腔内的衰荡事件的发生或阻止，在该过程中还包括无源腔探测信号的反馈过程。误差分析信号源通过波长监测器对激光输出频率与频率期望值进行比较，将得到的差值对激光器的控制电流进行调节，来调节激光器的输出频率，经过这样的反复调节使得误差分析器的波长差值小于10MHz，这样激光器的稳定性控制受波长监测器的性能的影响。

需要说明的是，在本发明中腔长的调节有两个调节模式，分别为扫描模式和示踪模式，具体的转换过程为，在对同一个频率点进行多次测量时，因为激光器的电流存在关断后开启的动作，即是每次对同一频率点的波长进行锁定，仍然存在激光器的出射频率不能准确复现的问题，所以对每次测量是都存在寻找谐振腔长的问题，但是对于同一频率点进行测量时PZT需要调整的范围较小，变为小范围高频调节可以缩短测量的周期，提高数据获得效率，频率在几十KHZ范围，该模式称为示踪模式，所谓示踪模式，如前所述就是腔长变化范围较小，使得腔频率较快的找到与激光器对应的谐振频率。当需要对另一频率点进行测量时，第一次寻找合适腔长是PZT工作在扫描模式，扫描范围增加到至少包含一个波长，扫描频率在100HZ左右，第一次测量完成后由门电路发出信号转换到示踪模式。

下面结合附图对本发明做以详细说明。

如图2为连续可调谐CRDS测量系统的中心控制系统示意图。中心控制模块控制是整个控制电路的中枢。它需要完成的功能主要包括：(1)设定DFB激光器的工作温度和注入电流值；(2)扫描激光波长或无源腔腔长，由此实现激光与无源腔基模之间的共振；(3)进行光谱扫描，以完成对腔内介质的光谱测量；(4)监控其它各模块输出参数并协调各模块工作。

控制过程如下所述，箭头1为目标气体选定的吸收谱段波长值，首先，激光光源(可以为半导体激光器、或者其他激光器阵列)由电流16控制激励源，出射光频率满足待测气体出射的激光经由分束器，一小部分进入波长监测器，余下的大部分经模式匹配系统直接耦合进无源腔。第一组探测器为探测无源腔出射光强的那部分16，通过探测出射光强度来监测腔内光强度的变化。该探测器将探测信号(腔内光强度)输入给数据分析系统的同时，也给控制系统提供反馈。当探测器探测获得腔内光强达到设定阈值时，中心控制器向电源的电流控制源发射信号12，使得激光器的信号关断，通过调节电流进而调制激光器频率使其偏离谐振频率，同时控制器也向数据采集系统发射信号13开始记录衰荡时间，即衰荡事件在关断电源后发生发生。在对衰荡时间进行记录时，数据处理系统还需接受波长监测器的信号18，即衰荡事件发生处的波长。循环箭头的关系，当激光器电流控制工作时中心控制系统给波长控制系统提供信号11，来主动控制锁定激光器波长，波长控制系统给中心控制器的信号7是确保只有激光器波长达到预定值时，触发器才使得衰荡事件发生。中心控制器通过信号14同时控制腔长调节系统(通过PZT)实现扫描腔长的功能。以实现激光器出射波长满足与无源腔发生谐振。另外，探目标气体的分子吸收谱线信号1输入给波长控制系统实现对正确的波长进行锁定。

如图3为连续可调谐CRDS测量系统的波长控制系统，波长控制系统控制过程为，箭头1为目标气体选定的吸收谱段波长值。温度控制器为必要的温度控制系统，向激光器发送指令,调节激光器的温度来达到与输入信号接近的波长值。

电流控制单元，可以较精确的达到目标值，但是为了获得更为精确波长，通过比较校准电路进行进一步调节。激光器选择阵列(将多个波长相邻的激光器组合起来，可实现更宽范围的光谱扫描)，当系统选用的是激光器阵列时，依据输入信号进行选择。通过对反馈信号与目标值经过信号10与选定频率值1通过差分比较电路进行误差比较、计算，加上有调制电流获得的粗略的波长值输送给求和电路，经计算后再将信号5输送给电流控制单元，进而控制光源(由激光器阵列)选择合适的激光器单元，以上为通过温度控制、电流控制以及反馈构成的波长控制系统。

如图4为连续可调谐CRDS测量系统的时序控制示意图，首先，比较器接收从腔光强探测器的出射信号，通过比较器来判断腔内光强是否达到设定的阈值。比较器判断腔内光强是否达到阈值连接触发器发射信号。波长控制器的反馈的信号7，此时意味着无源腔的出射光频率与信号1相等。满足探测气体的分子吸收谱线范围。当腔内光强达到预定值时，开关触发器发出信号，接下来将关断激光器的光源开始记录衰荡事件。延时触发器发射12信号关断激光器注入电流(或调谐到其他值)，同时向波长控制器发射信号11表示激光器关断并在一定的延时期间内保持关断。同时也向数据收集系统发射信号开始记录衰荡事件。开关触发器向发射信号的同时腔长控制系统发射信号在示踪和扫描模式系统中转换，如前所述，该功能为在对衰荡事件测量结束以后发射信号14给腔长控制器控制PZT来改变腔镜的长度，则该模块功能由模式的扫描模式转换到到示踪模式，方便进行多次测量。延时触发器到达是建议后在重复上述过程进行新一轮的衰荡事件的测量，通常情况下，延时触发器设定时间为是衰荡时间的5-6倍。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种基于CRDS气体浓度测量系统的控制系统，其特征在于，包括：

波长控制系统，其可通过调节激光器的温度来达到与输入信号接近的波长值；

时序控制系统，包括：比较器接收从腔光强探测器的出射信号，通过比较器来判断腔内光强是否达到设定的阈值；比较器判断腔内光强是否达到阈值连接触发器发射信号；当腔内光强达到预定值时，开关触发器发出信号，接下来将关断激光器的光源开始记录衰荡事件；延时触发器发射信号关断激光器注入电流，同时向波长控制器发射信号表示激光器关断并在一定的延时期间内保持关断；同时也向数据收集系统发射信号开始记录衰荡事件；开关触发器向发射信号的同时腔长控制系统发射信号在示踪和扫描模式系统中转换；

中心控制模块，其可以设定DFB激光器的工作温度和注入电流值；扫描激光波长或无源腔腔长，由此实现激光与无源腔基模之间的共振；进行光谱扫描，以完成对腔内介质的光谱测量；监控其它各模块输出参数并协调各模块工作。

2.根据权利要求1所述的基于CRDS气体浓度测量系统的控制系统，其特征在于，激光器具有温度电流调谐作用，通过持续监测温度以及查表的方式，获得适当的温度电流值使得激光器频率为正确的值。

3.根据权利要求2所述的基于CRDS气体浓度测量系统的控制系统，其特征在于，激光器为DFB激光器。

4.根据权利要求1所述的基于CRDS气体浓度测量系统的控制系统，其特征在于，谐振腔谐振频率的调制为通过调节谐振腔腔镜间距离，这个过程由安装在谐振腔一端腔镜的PZT完成，该三角形环形腔安装在球面镜处。

5.根据权利要求4所述的基于CRDS气体浓度测量系统的控制系统，其特征在于，腔长控制系统有示踪模式和扫描模式两个工作模式。

6.根据权利要求1所述的基于CRDS气体浓度测量系统的控制系统，其特征在于，激光器的关断通过调节电流使得激光器的谐振频率偏离目标值，激光器的时间为衰荡时间的5到6倍。