CN105806805A - 基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的可扩充试验平台 - Google Patents

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李建国
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
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    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation

Abstract

本发明公开了一种基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的可扩充试验平台，信号发生模块连接激光驱动模块，激光驱动模块连接激光信号发生模块，激光信号接收模块连接前置放大模块，前置放大模块连接数字锁相放大模块，数字锁相放大模块连接数据采集模块，数据采集模块连接控制模块；控制模块控制连接信号发生模块、激光驱动模块和数字锁相放大模块；激光信号接收模块与激光信号发生模块相对设置，且激光信号接收模块与激光信号发生模块之间气室的两侧。本发明能够提高实验效率，降低仪表的开发实验成本和实验人员劳动强度，适用于多种待测气体检测仪表的实验。

Description

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的可扩充试验平台
技术领域
本发明涉及一种试验平台，尤其涉及一种基于可调谐半导体激光吸收光谱技术TDLAS的可扩充试验平台。
背景技术
目前,TDLAS技术因其具有的高灵敏度、极佳的气体选择能力、非接触测量以及快速响应等特点已被广泛应用于污染物检测、大气监测、工业的生产过程控制等众多领域。
但基于TDLAS技术的气体分析仪表研制过程中需要进行很多实验，气体吸收能力实验、最优调制参数选择、温度和压力对吸收峰选择的影响，待测气体光谱吸收的线性度试验、待检测气体与背景气体组分的吸收峰的相对位置研究等等，这些实验都需要在样机研制之前进行，因此，上述实验中所需用的探测器、ADC、放大电路、光程池、激光器等关键器件模块等都需要预先研究其特性并备齐，才能保证基于TDLAS技术的气体分析仪表研制的顺利进行。
另外，锁相放大器是实现谐波检测的核心部件，在传统的基于TDLAS技术的气体分析仪表研制实验过程中，锁相放大器是利用乘法器和低通滤波器等进行模拟实现，由于模拟器件本身实现工艺和精度等方面的限制，导致模拟锁相放大器存在输出偏置、温度漂移等问题，而且模拟锁相放大器不利于仪器的小型化和成本控制。
若有可以满足试验应用的相关试验平台，能对待测气体的光谱测量进行模拟，将显著加快项目研发进度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的可扩充试验平台，能够提高基于可调谐半导体激光吸收光谱技术TDLAS的仪表的实验效率，降低仪表的开发实验成本和实验人员劳动强度，同时可通过更换不同种类激光二极管和气室实现对多种待测气体检测仪表的实验。
本发明采用下述技术方案：
一种基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的可扩充试验平台，包括控制模块、信号发生模块、激光驱动模块、激光信号发生模块、激光信号接收模块、气室、放大模块和数据采集模块，放大模块包括前置放大模块和数字锁相放大模块，信号发生模块的信号输出端连接激光驱动模块的信号输入端，激光驱动模块的信号输出端连接激光信号发生模块的信号输入端，激光信号接收模块的信号输出端连接前置放大模块的信号输入端，前置放大模块的信号输出端连接数字锁相放大模块的信号输入端，数字锁相放大模块的信号输出端连接数据采集模块的信号输入端，数据采集模块的信号输出端连接控制模块的信号输入端；控制模块控制连接信号发生模块、激光驱动模块和数字锁相放大模块；激光信号接收模块与激光信号发生模块相对设置，且激光信号接收模块与激光信号发生模块之间气室的两侧。
所述的激光信号发生模块固定于夹具上，激光信号发生模块的信号输入端通过设置有标准接头的数据传输线与激光驱动模块可拆卸连接。
所述的激光信号接收模块采用铟镓砷传感器。
所述的控制模块采用工控机或PC机。
所述的激光驱动模块采用LDC-3900多通道半导体激光控制器。
所述的激光信号发生模块采用DFB激光器、ICL激光器和QCL激光器。
所述的数字锁相放大模块采用AMETEK7270型数字锁相放大器。
所述的数据采集模块采用PCI-4474数据采集卡。
本发明能够配合实验人员所设计的算法，高效地完成基于可调谐半导体激光吸收光谱技术TDLAS的仪表的实验。同时，本发明具备较强的实用性与拓展性，激光信号发生模块可以根据待测气体的要求进行选择更换；气室也可根据实验的要求和待测气体的不同而选用不同的类型或种类；当实验需求要求有新的设备增添时，本试验平台的各种通信接口均为标准接口，可随时进行增添，极大地降低了实验成本和实验人员劳动强度。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作以详细的描述：
如图1所示，本发明所述的基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的可扩充试验平台，包括控制模块、信号发生模块、激光驱动模块、激光信号发生模块、激光信号接收模块、气室、放大模块和数据采集模块，放大模块包括前置放大模块和数字锁相放大模块。信号发生模块的信号输出端连接激光驱动模块的信号输入端，激光驱动模块的信号输出端连接激光信号发生模块的信号输入端，激光信号接收模块的信号输出端连接前置放大模块的信号输入端，前置放大模块的信号输出端连接数字锁相放大模块的信号输入端，数字锁相放大模块的信号输出端连接数据采集模块的信号输入端，数据采集模块的信号输出端连接控制模块的信号输入端；控制模块控制连接信号发生模块、激光驱动模块和数字锁相放大模块。
其中，控制模块用于实现对信号发生模块、激光驱动模块和数字锁相放大模块进行控制，同时对数据采集模块采集输出的数据进行采样保存。信号发生模块用于在控制模块的控制下产生激光驱动波形，作为激励源输出至激光驱动模块。激光驱动模块用以驱动、保护和控制激光信号发生模块。激光信号发生模块用于在激光驱动模块作用下产生激光信号。激光信号接收模块用于接收经气室内气体吸收后的激光信号，并将采集到的信号输出至前置放大模块。前置放大模块用于放大激光信号接收模块输出的信号并发送至数字锁相放大模块。数字锁相放大模块用于对前置放大模块输出的采样信号的进行谐波提取以实现相敏检测，并将提取到的信号发送至数据采集模块。数据采集模块用于采集数字锁相放大模块输出的模拟信号并转换为数字信号发送至控制模块。
激光信号接收模块与激光信号发生模块相对设置，且激光信号接收模块与激光信号发生模块之间气室的两侧，以保证激光信号发生模块在激光驱动模块作用下产生激光信号能够顺利地通过气室，并使经气室内的气体吸收后的激光信号被激光信号接收模块所接收。激光信号发生模块固定于夹具上，激光信号发生模块的信号输入端通过设置有标准接头的数据传输线与激光驱动模块可拆卸连接，便于实验人员通过更换不同种类的激光信号发生模块和气室，实现对多种待测气体检测仪表的实验。
如激光信号发生模块可采用DFB激光器（1312nm）、ICL激光器（4020nm）或QCL激光器（7.3um），用于分别实现对HF、SO2和SO3气体检测仪表的实验。
本实施例中，激光信号发生模块采用铟镓砷传感器，能够实现对HF、NH3和H2O等气体检测仪表的实验。控制模块可根据实际实验需求采用工控机或PC机。激光驱动模块采用LDC-3900多通道半导体激光控制器。数字锁相放大模块采用AMETEK7270型数字锁相放大器，能够有效避免传统的模拟锁相放大器所存在的输出偏置和温度漂移等问题，同时有利于仪器的小型化和成本控制。数据采集模块采用PCI-4474数据采集卡。
本发明在使用时，能够配合实验人员所设计的算法，通过实验人员将设计的控制程序输入控制模块，利用控制模块控制信号发生模块输出设定的锯齿波信号至激光驱动模块，驱动不同类型的激光信号发生模块产生激光信号。实验人员利用不同气室和/或气室内不同的气体对激光信号进行吸收，并利用激光信号接收模块接收经气室内气体吸收后的激光信号，然后将采集到的信号输出至前置放大模块进行放大，并利用数字锁相放大模块进行谐波提取后通过数据采集模块输送至控制模块，最终根据控制模块接收到的数字信号进行判断分析，实现对基于可调谐半导体激光吸收光谱技术TDLAS的仪表系统进行样机试制前的实验论证以及参数调整优化。本发明能够显著加快项目研发进度，便捷高效地通过本发明完成可行性试验，在算法、可行性得到验证后再将技术成果转移到专用设备上。本发明具备较强的实用性与拓展性，激光信号发生模块可以根据待测气体的要求进行选择更换；气室也可根据实验的要求和待测气体的不同而选用不同的类型或种类；当实验需求要求有新的设备增添时，本试验平台的各种通信接口均为标准接口，可随时进行增添，极大地降低了实验成本和实验人员劳动强度，大幅提高基于可调谐半导体激光吸收光谱技术TDLAS的仪表的实验效率。

Claims (8)

1.一种基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的可扩充试验平台，其特征在于：包括控制模块、信号发生模块、激光驱动模块、激光信号发生模块、激光信号接收模块、气室、放大模块和数据采集模块，放大模块包括前置放大模块和数字锁相放大模块，信号发生模块的信号输出端连接激光驱动模块的信号输入端，激光驱动模块的信号输出端连接激光信号发生模块的信号输入端，激光信号接收模块的信号输出端连接前置放大模块的信号输入端，前置放大模块的信号输出端连接数字锁相放大模块的信号输入端，数字锁相放大模块的信号输出端连接数据采集模块的信号输入端，数据采集模块的信号输出端连接控制模块的信号输入端；控制模块控制连接信号发生模块、激光驱动模块和数字锁相放大模块；激光信号接收模块与激光信号发生模块相对设置，且激光信号接收模块与激光信号发生模块之间气室的两侧。
2.根据权利要求1所述的基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的可扩充试验平台，其特征在于：所述的激光信号发生模块固定于夹具上，激光信号发生模块的信号输入端通过设置有标准接头的数据传输线与激光驱动模块可拆卸连接。
3.根据权利要求1所述的基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的可扩充试验平台，其特征在于：所述的激光信号接收模块采用铟镓砷传感器。
4.根据权利要求1所述的基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的可扩充试验平台，其特征在于：所述的控制模块采用工控机或PC机。
5.根据权利要求1所述的基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的可扩充试验平台，其特征在于：所述的激光驱动模块采用LDC-3900多通道半导体激光控制器。
6.根据权利要求1所述的基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的可扩充试验平台，其特征在于：所述的激光信号发生模块采用DFB激光器、ICL激光器或QCL激光器。
7.根据权利要求1所述的基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的可扩充试验平台，其特征在于：所述的数字锁相放大模块采用AMETEK7270型数字锁相放大器。
8.根据权利要求1所述的基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的可扩充试验平台，其特征在于：所述的数据采集模块采用PCI-4474数据采集卡。
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