CN105954229B - 基于步进扫描积分吸收法的烷烃类气体检测系统及方法 - Google Patents

基于步进扫描积分吸收法的烷烃类气体检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于步进扫描积分吸收法的烷烃类气体检测系统及方法，包括：控制单元，用于以步进方式控制可调谐激光器和红外探测器的发射和检测，并对检测信号进行处理；可调谐激光器，用于发射检测激光；红外探测器，用于检测经过参比气体或待检测的烷烃类气体的激光强度。本发明的检测系统和方法利用中/近红外波段来探测烷烃类气体，可避开空气中水汽、二氧化碳等的影响，同时利用宽光谱可调谐激光器特性，通过步进扫描积分吸收法，能实现对具有宽谱吸收特征的复杂分子的探测，具有高灵敏度和宽动态范围的优势。

Description

基于步进扫描积分吸收法的烷烃类气体检测系统及方法
技术领域
本发明涉及基于激光光谱的气体传感和挥发性有机化合物(VOC)检测领域，特别涉及到一种基于步进扫描积分吸收法的烷烃类气体检测系统及方法。
背景技术
挥发性有机化合物(VOC)作为一种大气主要污染源已经越来越受到关注，其中在成品油的挥发物中，烷烃类气体作为主要的挥发物成分，成分复杂种类繁多，其中尤以丙烷、丁烷等气体为主要成分，因此对其中某种单一气体的针对性检测非常有必要，并且要求其检测方法能够实时动态和高灵敏度响应。在以往的VOC气体检测技术中，气相色谱-质谱法需要气体样品预采样处理，不能够实时检测；催化燃料法作为一种化学手段，动态响应和灵敏度不足；因此基于光谱分析特别是基于半导体激光光谱分析方法越来越受到关注。
可调谐激光光谱技术是利用半导体激光器发射出对应气体特征吸收峰处波长的激光，根据半导体激光器可调谐特性进行气体检测的一种技术，目前广泛应用于分子结构相对简单的气体探测中，如水汽、甲烷、二氧化碳等，能够实时动态高灵敏度响应，其主要检测原理是根据比尔--朗伯(Beer-Lambert)定律，有以下的吸收公式：It＝I0·exp{[-α(λ)CL]}＝I0·exp(-A)，其中，It为穿过待测气体后的透射光光强；I0为入射光光强；α(λ)为吸收系数，与气体种类和激光频率有关；C为待测气体的体积浓度；L为待测气体的吸收长度；A为吸光度。当在目标气体吸收波段时，通过测量It和I0，就可以算出气体的浓度大小C。
一般来说，对于常见的分子结构相对简单的气体，其在中/近红外波段都会有特征吸收峰，且一般只有小于0.1nm的窄带吸收范围，因此激光器在窄带范围内方便调谐，可利用直接法或者谐波法快速检测到目标气体的吸收峰值，从而得到气体浓度。但对于分子结构相对复杂的大分子，如丙烷、正丁烷、异丁烷等气体，它们往往具有宽谱吸收的特征，以往的寻峰法不再适用。因此，如何实时且精确地测量出其气体浓度大小就是目前需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种基于步进扫描积分吸收法的检测系统，本发明的另一个目的在于提供一种基于步进扫描积分吸收法的检测方法，以解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种烷烃类气体检测系统，包括：
控制单元1，用于以步进方式控制可调谐激光器3进行多次激光发射，发射激光的波长覆盖整个待检测的烷烃类气体的强吸收峰；以及用于控制红外探测器7相应地进行多次检测，并对所述红外探测器7的检测信号进行处理；
可调谐激光器3，用于发射检测激光，所述可调谐激光器3发射激光的波长能随温度和电流调谐而覆盖到整个待检测的烷烃类气体的宽谱吸收；
红外探测器7，用于检测经过参比气体或待检测的烷烃类气体的激光强度。
其中，所述烷烃类气体检测系统还包括开放气室5，用于容纳或接触待检测的所述烷烃类气体；
作为优选，所述开放气室5的光程长度根据可调谐激光器的光功率大小及现场的环境状况进行调整；其中，所述现场的环境例如包括加油站、公路或码头。
其中，所述烷烃类气体检测系统还包括：
探测控制器8，用于对所述红外探测器7进行偏压和温度控制；
跨阻放大器9，用于将所述红外探测器7输出的微电流信号放大成电压信号；
第二级放大器10，用于将所述跨阻放大器9输出的电压信号调整到适合模数转换的输入范围。
其中，所述探测控制器8、跨阻放大器9、第二级放大器10与所述控制单元1集成在一块电路主板上。
其中，所述电路主板与所述可调谐激光器3及红外探测器7分开设置，通过远程控制的方式与所述可调谐激光器3及红外探测器7连接。
其中，待检测的所述烷烃类气体为丙烷、正丁烷或异丁烷。
其中，待检测的所述烷烃类气体为丙烷；以及
所述可调谐激光器3发射的单模激光波长对应着丙烷在中/近红外的强吸收峰处，其中中红外强吸收峰处在3.367-3.372μm附近，近红外强吸收峰处在1.686-1.687μm附近。
其中，所述可调谐激光器3为分布反馈激光器DFB、量子级联激光器QCL、带间级联激光器ICL或垂直外腔面发射激光器VECSEL。
作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种烷烃类气体检测方法，包括以下步骤：
通过步进地控制可调谐激光器的工作温度和工作电流，使其在几个纳米的调谐范围内出射的激光波长步进扫描增大；
每出射一次激光就计算其经过气体吸收后的吸光度；
最后计算出一个扫描周期内发出的所有激光经过气体吸收后的总吸光度，根据总吸光度和待检测的所述烷烃类气体浓度成正比，从而得到待检测的所述烷烃类气体的气体浓度。
作为本发明的再一个方面，本发明还提供了一种烷烃类气体检测方法，包括以下步骤：
步骤1，以氮气为参比气体，以步进方式控制可调谐激光器发射激光，扫描一个周期，探测得到原始光强I0i，其中i为步进的步数；
步骤2，在实际环境中，在同样的扫描范围内以同样的步进方式控制所述可调谐激光器发射激光，则探测得到经过待检测的烷烃类气体吸收后的透射光强Iti；
步骤3，在每个扫描点，通过-ln(Iti/I0i)得到该点下的吸光度A(i)，在一个扫描周期内得到总吸光度其中n为步进的总步数；
步骤4，通过计算得到的总吸光度A，计算得到待检测的烷烃类气体的气体浓度C。
基于上述技术方案可知，本发明针对当前现有可调谐激光气体检测系统主要针对近红外光探测简单分子的局限，提出了利用中/近红外可调谐半导体激光器作为光源，解决了有宽谱吸收特征的复杂烷烃类气体分子如丙烷的探测问题，本发明的检测系统及方法具有如下有益效果：(1)基于中/近红外波段的光谱(如丙烷强吸收峰处于3.367-3.372μm&1.686-1.687μm附近)可以避免空气中水汽、二氧化碳等气体对目标气体的吸收影响；(2)选择宽光谱可调的中/近红外可调谐半导体激光器，可覆盖整个气体的宽谱吸收峰，采用步进扫描积分吸收法，能够提高气体浓度的测量灵敏度和动态范围；(3)系统提供的光路单元和电路单元可分开安装，其中光路中的开放气室设计能够实现在不同的真实环境中安装探测，灵活性好；(4)针对其他复杂大分子，在选择合适的激光器和探测器后，可以方便地进行同类型的检测系统设计。
附图说明
图1是本发明的基于步进扫描积分吸收法的烷烃类气体检测系统的结构示意图；
图2是本发明的可调谐半导体激光器发出的激光覆盖丙烷宽谱吸收范围的示意图；
图3是本发明的步进扫描积分吸收法探测烷烃类气体浓度的原理示意图；
图4是本发明的开放气室的光路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种基于步进扫描积分吸收法的烷烃类气体检测系统，对于烷烃类气体，例如丙烷、正丁烷、异丁烷气体来说，由于其分子结构相对复杂，有宽谱的强吸收峰，以往的寻峰法不再适用，因此本发明通过选择宽光谱可调的中/近红外半导体激光器，调谐激光器出射的波长，令波长的调谐范围可以覆盖整个丙烷的宽谱吸收峰；且在调谐过程中，让激光器的出射波长从低到高步进扫描，每扫一个点算出对应的吸光度，最后扫描一个周期后积分得到总的吸光度，从而可以算出丙烷浓度。这样通过步进扫描积分吸收法，当扫描的点数足够多时，则可近似为一种离散的积分方法，从而可提高测量的动态范围和灵敏度。
更具体地，下面将以丙烷气体为例、结合附图对本发明的基于步进扫描积分吸收法的烷烃类气体检测系统进行进一步阐述说明。
图1所示是本发明的一种基于步进扫描积分吸收法的丙烷检测系统，其包括：微处理控制器1，用于控制可调谐半导体激光器和红外探测器的工作状态，并能够对第二级放大器放大后的电压信号进行数据处理；激光控制器2，包括激光器TEC温控模块以及激光器电流驱动模块；可调谐半导体激光器3，选择的半导体激光器发射波长能对应着丙烷的强吸收峰；准直透镜4，能使中红外激光准直出射到开放气室中；开放气室5，安装在含有目标气体的真实环境中，用于容纳或接触待检测的所述烷烃类气体；聚焦透镜6，使经过开放气室并被丙烷吸收后的激光聚焦到红外探测器上；红外探测器7，用于检测经过开放气室的激光强度；探测控制器8，给红外探测器合适的偏压和温控，使它能正常工作；跨阻放大器9，用于将红外探测器产生的微电流转换为电压信号；第二级放大器10，用于将跨阻放大器的电压信号调整到适合A/D转换的输入范围进入微处理控制器。
其中，微处理控制器1、激光控制器2、探测控制器8、跨阻放大器9、第二级放大器10作为电路单元，可以集成在一块电路主板上，体积小，重量轻，方便安装。可调谐半导体激光器3、准直透镜4、开放气室5、聚焦透镜6、红外探测器7作为光路单元，通过连线和上述电路单元连接。电路单元作为控制和处理模块，光路单元发送工作命令和接收信号，可选择安装在现场，也可在室内远程控制；光路单元作为丙烷探测传感模块，接收电路单元发来的工作命令，并回传探测到的丙烷信号，可安装在可能含有丙烷的室外环境如加油站、公路、码头等中。
图2是可调谐半导体激光器发出的激光覆盖丙烷宽谱吸收范围的示意图。图2左边曲线1给出了丙烷在中/近红外波段范围内的吸收强度的大概示意图，中红外强吸收峰处在3.367-3.372μm附近，近红外强吸收峰处在1.686-1.687μm附近，在强吸收峰处放大来看，如图2右边曲线2所示，有明显的宽谱吸收特征，一般其宽谱范围有好几个纳米。利用此宽谱范围作为特征吸收，选择具有宽光谱调谐特性的半导体激光器，其出射的中心波长能对应到丙烷的强吸收峰处，且随温度和电流调谐的范围可覆盖到整个丙烷的宽谱吸收，如选择分布反馈激光器(DFB)、量子级联激光器(QCL)、带间级联激光器(ICL)、垂直外腔面发射激光器(VECSEL)等。通过步进地控制可调谐半导体激光器的工作温度和工作电流，使它在几个纳米的调谐范围内出射的激光波长步进扫描增大，步进间隔可调，每出射一个波长的激光就计算其经过气体吸收后的吸光度，最后计算出一个扫描周期内发出的所有激光经过气体吸收后的总吸光度。吸光度和丙烷气体浓度成正比，从而探测出气体浓度。该计算方法利用丙烷在激光调谐的宽光谱范围都有吸收的特点，通过计算总的吸收来探测气体浓度，灵敏度和动态范围比一般的寻峰测量法要高。
图3给出了具体的步进扫描积分吸收法原理。若在一个扫描周期共步进扫描了n个点，则根据比尔--朗伯(Beer-Lambert)定律，在扫描第i个点时，有以下的吸收公式：Iti＝＝I0i·exp[(-α(i)CL)]；式中，Iti为穿过待测气体后的透射光光强；I0i为入射光光强；α(i)为吸收系数，与气体种类和穿过该气体的光频率有关；C为待测气体的体积浓度；L为待测气体的吸收长度；其中定义吸光度：A(i)＝α(i)CL＝-ln(Iti/I0i)；则n个扫描点总吸光度为：
而总吸光度和气体浓度C成正比。因此为了得到气体浓度，则要得到每个扫描周期的总吸光度，具体的步骤如下：
步骤1，先在以氮气为背景(参比气体)下，步进扫描可调谐半导体激光器，扫描一个周期，由于氮气在这个波段范围内的吸收忽略不计，因此探测得到没有任何气体吸收的原始光强I0i，在没有任何吸收情况下，原始光强随着扫描呈线性增大，如图2右边的曲线4所示，并且把原始光强的数据保存在微处理控制器的内存中；
步骤2，在实际环境中，在同样的扫描范围内以同样的步进扫描可调谐半导体激光器，则探测得到经过气体吸收后的透射光强Iti，由于在激光扫描周期内，具有宽谱吸收特征的丙烷气体其吸收强度先变大达到峰值后再变小，因此透射光强则先变小达到谷底后再变大，如图2右边曲线3所示；
步骤3，在每个扫描点时，每得到一个Iti后就调用内存里的It0，通过-ln(Iti/I0i)可以得到该点下的吸光度A(i)，在一个扫描周期内则得到总吸光度
步骤4，由于吸光度和浓度C呈线性关系，则在一个扫描周期内通过计算总吸光度，就可以计算得到浓度C。
如果需要更精确的结果，可以还包括步骤5，当得到一个浓度C后，接着返回步骤2，连续反复地进行浓度测量，然后通过数理统计方法提高测量精度。
由此通过步进扫描可调谐激光器，当步进的间隔很小，则激光波长从低到高变化的扫描点数很多，即n很大时，则可认为激光出射的波长在丙烷宽谱的吸收范围内连续变化，可近似为一种离散的积分方法。
图4是开放气室的光路示意图。可调谐半导体激光器3从左边发射出激光，半导体激光器3发出的光有一定的发散，发射的激光经准直透镜4后会被约束准直，经开放气室后到达聚焦透镜6，而后被聚焦到红外探测器7上。其中调整光路时可调谐半导体激光器3安装在准直透镜4的前焦距附近，红外探测器7安装在聚焦透镜6的后焦距附近。准直透镜4和聚焦透镜6要能透过中/近红外光，可选择镀膜的CaF2透镜。开放气室安装在含有丙烷的环境中，其中光程长度可根据可调谐激光器3的光功率大小以及现场的环境状况进行调整。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种烷烃类气体检测系统，其特征在于，包括：
控制单元(1)，用于以步进方式控制可调谐激光器(3)的工作温度和工作电流，使其在几个纳米的调谐范围内出射的激光波长步进扫描增大，从而进行多次激光发射，发射激光的波长覆盖整个待检测的烷烃类气体的强吸收峰；以及用于控制红外探测器(7)相应地进行多次检测，并对所述红外探测器(7)的检测信号进行处理；
可调谐激光器(3)，用于发射检测激光，所述可调谐激光器(3)发射激光的波长能随温度和电流调谐而覆盖到整个待检测的烷烃类气体的宽谱吸收；
红外探测器(7)，用于检测经过参比气体或待检测的烷烃类气体的激光强度；
其中，待检测的所述烷烃类气体为丙烷、正丁烷或异丁烷。
2.如权利要求1所述的烷烃类气体检测系统，其特征在于，所述烷烃类气体检测系统还包括开放气室(5)，用于容纳或接触待检测的所述烷烃类气体。
3.如权利要求2所述的烷烃类气体检测系统，其特征在于，所述开放气室(5)的光程长度根据可调谐激光器的光功率大小及现场的环境状况进行调整；其中，所述现场的环境包括加油站、公路或码头。
4.如权利要求1所述的烷烃类气体检测系统，其特征在于，所述烷烃类气体检测系统还包括：
探测控制器(8)，用于对所述红外探测器(7)进行偏压和温度控制；
跨阻放大器(9)，用于将所述红外探测器(7)输出的微电流信号放大成电压信号；
第二级放大器(10)，用于将所述跨阻放大器(9)输出的电压信号调整到适合模数转换的输入范围。
5.如权利要求4所述的烷烃类气体检测系统，其特征在于，所述探测控制器(8)、跨阻放大器(9)、第二级放大器(10)与所述控制单元(1)集成在一块电路主板上。
6.如权利要求5所述的烷烃类气体检测系统，其特征在于，所述电路主板与所述可调谐激光器(3)及红外探测器(7)分开设置，通过远程控制的方式与所述可调谐激光器(3)及红外探测器(7)连接。
7.如权利要求1所述的烷烃类气体检测系统，其特征在于，待检测的所述烷烃类气体为丙烷；以及
所述可调谐激光器(3)发射的单模激光波长对应着丙烷在中/近红外的强吸收峰处，其中中红外强吸收峰处在3.367-3.372μm附近，近红外强吸收峰处在1.686-1.687μm附近。
8.如权利要求1所述的烷烃类气体检测系统，其特征在于，所述可调谐激光器(3)为分布反馈激光器DFB、量子级联激光器QCL、带间级联激光器ICL或垂直外腔面发射激光器VECSEL。
9.一种烷烃类气体检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过步进地控制可调谐激光器的工作温度和工作电流，使其在几个纳米的调谐范围内出射的激光波长步进扫描增大；
每出射一次激光就计算其经过气体吸收后的吸光度；
最后计算出一个扫描周期内发出的所有激光经过气体吸收后的总吸光度，根据总吸光度和待检测的所述烷烃类气体浓度成正比，从而得到待检测的所述烷烃类气体的气体浓度。
10.一种烷烃类气体检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，以氮气为参比气体，以步进方式控制可调谐激光器发射激光，扫描一个周期，探测得到原始光强IOi，其中i为步进的步数；
步骤2，在实际环境中，在同样的扫描范围内以同样的步进方式控制所述可调谐激光器发射激光，则探测得到经过待检测的烷烃类气体吸收后的透射光强Iti；
步骤3，在每个扫描点，通过-ln(Iti/IOi)得到该点下的吸光度A(i)，在一个扫描周期内得到总吸光度其中n为步进的总步数；
步骤4，通过计算得到的总吸光度A，计算得到待检测的烷烃类气体的气体浓度C。
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