CN107462551A - 一种用于气体检测的激光波长锁定的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于气体检测的激光波长锁定的方法，所述包括：定时步进发出激光扫描信号并在检测光路中推入气体参考池；在空间扫描的范围内选择至少一个点位，每扫描空间一次改变一点电流，连续采集至少一个扫描周期，将得到的光信号产生一个吸收谱图；根据吸收谱图中气体吸收的位置去调整激光波长。本发明还提供了一种用于气体检测的激光波长锁定的装置。相比原有的方法及装置，本发明减少了一套激光分光装置和一套参考光探测电路，激光输出的光强可全部用于检测，有利于长距离检测，参考光探测电路的减少也能降低成本。

Description

一种用于气体检测的激光波长锁定的方法及装置

技术领域

本发明属于气体检测领域，公开了一种用于气体检测的激光波长锁定的方法及装置。

背景技术

由于可调谐半导体激光光谱检测(TDLAS)技术具有高灵敏度、线性度好、检测速度快、距离长和不受其他气体干扰等优点，使用可调谐半导体激光光谱检测技术的仪器设备越来越多。如图1所示，图1为采用TDLAS原理检测光路的原理示意图，TDLAS检测技术的原理是利用气体分子对特定波长光谱的吸收，将激光波长调谐到待测气体的吸收线上，用一个光探测器监测激光输出的光强，当在光路中存在待测气体时，光强会跟随气体浓度发生变化，应用朗伯--贝尔定律可以计算出气体的浓度。上半部分是没有气体吸收时探测器2接收到的光强I₁，当光路中有气体吸收时，探测器2接收到的光强会下降到I。根据接收到的光强变化，便可计算出气体的浓度。

根据上述原理可知，要实现稳定检测气体，激光波长必须稳定，否则，由于激光器受温度和电流变化的影响会造成输出波长漂移，导致气体检测不准确，严重时完全检不到。通常解决这个问题的方法是将输出激光分成二路，一路检测光用于气体检测，另一路参考光用作激光输出波长锁定，参考光路中预置一个内有待测气体的吸收池，参考探测器时刻检测气体吸收的位置，一旦发生漂移就执行激光电流的调整，使的激光波长始终稳定在气体吸收位置上，如图2所示，图2为参考光路和检测光路的原理图。图2中，1为激光器，2、6为探测器，8、为分光镜，9为反射镜，4为吸收池，7为光谱吸收图。但是，采用分光方案，也带来了如下问题：

1，分光方案仅适用于时间扫描，若应用是进行空间扫描的，激光器需输出稳定直流，不能采用分光扫描实现波长实时跟踪锁定。

2，分光装置安装复杂:想在原始光路中实现分路，需要增加一个分光镜。但分光镜的安装架既要多维度可调，调整完紧固时又不能改变镜片角度，实际操作中很难取得良好的调整和紧固效果，分光镜受震动影响大，角度容易偏，影响波长锁定的功能。

3，分光方案要保证波长扫描精度，需要一定的光强，使得原始检测光路中永久性的损失了一部分光源强度，这在实际应用中光源回收较差的环境下，会导致信噪比降低，虽然实现了波长扫描锁定，但牺牲了系统实际测量精度。

因此，如何设计出一种既适用于时间扫描也适用于空间扫描、减少资源浪费、光路稳定性强及波长测量精度高的波长锁定方法，便成为了目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中分光方案无法适用空间扫描、资源浪费、光路不稳定、影响系统测量精度的问题。

为解决上述技术问题，本发明公开了一种用于气体检测的激光波长锁定的方法，所述方法包括：

步骤一、定时步进发出激光扫描信号并在检测光路中推入气体参考池；

步骤二、在空间扫描的范围内选择至少一个点位，每扫描空间一次改变一点电流，连续采集至少一个扫描周期，将得到的光信号产生一个吸收谱图；

步骤三、根据吸收谱图中气体吸收的位置去调整激光波长。

进一步地，在步骤一中，先使得激光器光源的工作温度和电流稳定，进行正常的空间扫描，当需要校准波长时，不停止空间扫描，将气体参考池推入检测光路。

进一步地，，在步骤二中，保持激光器温度不变，改变激光器工作电流，在参考电流附近范围内进行步进扫描。

进一步地，，在进行步进扫描过程中，判断检测光路信号是否返回，排除检测光路上其它物体的干扰。

进一步地，，在步骤二中，在空间上选取多个点进行光谱图分析。

进一步地，，针对空间跨度较大的不同点位进行比较，对检测光路中不同空间位置进行参数修正，其中，所述参数包括光程、视场角。

进一步地，，在所述步骤三之后，还包括：将气体参考池拉出检测光路，并恢复正常的空间扫描检测。

基于本发明的另一方面，还提供了一种用于气体检测的激光波长锁定的装置，所述装置包括：激光器、探测器、气体吸收池、电动推杆以及控制模块，其中，所述激光器发出的光强被所述探测器接收，并反馈给所述控制模块，所述控制模块在需要波长位置检测时，控制所述电动推杆动作将气体吸收池推入激光器至探测器之间的检测光路，同时，所述控制模块控制所述激光器进行步进扫描，每扫描空间一次改变一点电流，并连续采集至少一个扫描周期，将得到的光信号产生一个吸收谱图，所述控制模块根据吸收位置确定新的激光器电流，并控制所述激光器调整到新确定的电流值工作。

进一步地，所述控制模块在检测到激光器以新的电流值工作后，控制所述电动推杆将所述气体吸收池拉出检测光路。

本发明技术方案，具有如下优点：

1，本发明解决了空间扫描应用下的激光器波长锁定问题，本发明根据实际需要通过将气体参考池推入测量光路，同时改变激光器电流，进行波长扫描，实现了空间扫描应用下的锁定功能。

2，本发明解决了资源浪费的问题，本发明中的激光器发射的光源不分光，光强100％用于实测，系统安装时也无须耗时费力进行分光镜调整；探测器不需要两个，一个探测器就能完成波长扫描和实测。

3，本发明解决了光路的稳定问题，分光方案额外增加的镜片和结构件，带来了系统不稳定性，本发明可以在原始光路上实现波长扫描功能，简化设计，提高稳定性。

4，本发明解决了测量精度问题，本发明的方案，波长锁定和实际测量都使用原始光路进行，比现有技术在两方面都提高了光强度，从而提高了扫描锁定和测量的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中采用TDLAS技术检测光谱的原理示意图；

图2为现有技术中分光方案进行激光波长检测的原理示意图；

图3为本发明实施例一所述的激光波长锁定的方法的原理图；

图4为采用本发明实施例一所述的激光波长锁定的方法进行波长检测时的光吸收谱图；

图5为本发明实施例二所述的激光波长锁定的装置的结构原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中，应用可调谐半导体激光光谱检测技术对气体浓度的检测，主要是采用分光方案，一路检测光用于气体检测，另一路参考光用作激光输出波长锁定，一旦比对发生波长输出漂移，则执行激光电流调整。目前，对波长的扫描方式分为时间扫描和空间扫描两种方式。时间扫描，是对同一个空间位置进行扫描，可以通过随着时间的变化而改变光源波长的方式，得到该空间位置对不同波长的响应。空间扫描，是对空间区域内多个位置的扫描，必须固定光源的波长，否则不同位置的响应就不具有可比性了。明显的，现有技术中采用的分光方案仅适用于时间扫描，不适用于空间扫描，由于空间扫描要求波长固定的特性，不适用于分光方案，因为分光不能进行波长响应比对判断波长发生飘移。而且现有技术中分光方案需要两个探测器，安装耗时也使得额外增加的分光镜导致系统稳定性变差，测量精度有偏差。

实施例一

参照图3所示，本发明实施例所公开的一种用于气体检测的激光波长锁定的方法，包括如下步骤：

步骤101、定时步进发出激光扫描信号并在检测光路中推入气体参考池；

步骤102、在空间扫描的范围内选择至少一个点位，每扫描空间一次改变一点电流，连续采集至少一个扫描周期，将得到的光信号产生一个吸收谱图；

步骤103、根据吸收谱图中气体吸收的位置去调整激光波长。

相比原有的分光方案，本发明减少了一套激光分光装置和一套参考光探测电路，激光输出的光强可全部用于检测，有利于长距离检测，参考光探测电路的减少降低了成本。

下面来具体详述本发明的全部工作步骤。

第一步，激光器光源工作在稳定温度和电流，进行正常空间扫描检测，激光器发出的光强被探测器接收，激光器与探测器之间形成检测光路。

第二步，需要校准波长时，不停止空间扫描，控制推杆将气体参考池推入检测光路。此处，气体参考池也可称作为气体吸收池，两端用光学玻璃密封，内部充有标准气体(已知气体种类和浓度)。相比原有的分光方案，本发明的光源不分光，光强100％用于实测，系统安装时也无须耗时费力进行分光镜调整；探测器不需要两个，一个探测器就能完成波长扫描和实测。此外，分光方案额外增加的镜片和结构件，带来了系统不稳定性，本发明可以在原始光路上实现波长扫描功能，简化设计，提高稳定性。

第三步，保持激光器温度，改变激光器工作电流，在参考电流附近范围内步进扫描。参考电流是指出厂设置的电流或前一次校准后计算机所保存的电流值。在此电流下，激光器发出的光波长刚好所测气体吸收位置处。参考电流附近是指参考电流上下一定范围，在此范围内纠正激光器波长偏差。步进扫描是指以参考电流之下(上)，逐步增大(减小)电流，使激光器发出的光波长改变。

第四步，每步进扫描一次，记录一条空间光谱。空间光谱在与激光器相连的主控计算机上进行显示，优选的，扫描过程中，可通过计算机内的软件算法判断检测光路信号是否返回，排除检测光路上其他物体的干扰。当探测光路上没有其他物体干扰的情况下，光路返回会保持在一定的强度上，如果光路返回的光强相对大幅下降，说明有障碍物。

第五步，在空间上选取一个位置，分析电流扫描过程中，参考池中标准气体对光强的吸收强度，绘出吸收谱图，吸收谱图由主控计算机根据光强吸收强度自动绘出，其中，吸收谱图如图4所示，在没有气体吸收或激光器输出波长不在气体吸收位置时，输出是一条直线，当存在气体吸收时，气体吸收波长位置光强会减弱，形成一条有下凹的曲线，表示此处是气体吸收位置，根据吸收位置确定激光器电流。根据前述所知，激光器在特定的电流和温度下，所发出的光波长是固定的。若其中有一个参数发生变化时，其发出的光波长也会随之变化。在正常检测过程中，由于环境的变化，激光器温度和电流可能会发生偏移，此时激光器发出的光波长可能不在被测气体的吸收位置上。所以我们需要每隔一段时间要对激光器进行一次调整，也就是确定激光器工作电流，使得激光器发出的光波长刚好在被测气体的吸收位置处。通过本发明空间扫描的方法，吸收谱图的X轴是波长，Y轴是光路返回的光强，该谱图显示，当波长为λ0时，光强吸收最大，从而确定波长λ₀为需要的吸收波长。在步进调整电流的过程中，记录下λ₀波长对应的电流值。优选的，由于本发明的方法中，不停止空间扫描，故可在空间上选取多个点进行谱图分析，多点平均可以提高波长扫描的稳定性和准确性，空间扫描是对空间多点进行扫描，不同位置的光源吸收响应可能会有所差别，多点平均即选取不同位置的吸收响应数值进行计算取平均值，相当于单点数据的计算，提高了稳定性。例如：对道路横截面进行从左到右进行扫描，道路上不同的位置可能会有所差别，多点平均即选取路面不同位置进行计算。特别针对空间跨度较大的不同点进行比较，还可进一步研究检测光路中不同空间位置的修正参数(如：光程、视场角等细微差异对检测系数的影响)，比如对一条车道的横向扫描，当光源处于车道中间的上方时，光线到达车道中间位置光程最短，视场角为0；光线到达车道边缘时光程最长，视场角大；由于光程和视场角的不同，同样的气体浓度光谱吸收会有差异，需要进行补偿。

第六步，将激光器设置到上一步确定的电流值，此时激光器的波长就是我们期望的测量波长，达到了锁定波长的目的。本发明利用推杆将气体参考池推入测量光路，同时改变激光器电流，进行波长扫描，实现了空间扫描应用下的锁定功能。此外，波长锁定和实际测量都使用原始光路进行，没有分光，波长锁定的光强和实际测量的光强，比分光方案都高。若用分光装置，波长锁定的光强只是光源的一部分；实际测量的光强除了损失分光那一部分，还有一小部分被镜片吸收了。本发明明显比现有技术在两方面都提高了光强度，从而提高了扫描锁定和测量的精度。

第七步，控制推杆将气体参考池从检测光路拉出或收回，使其不再原检测光路上。

第八步，控制激光器退出波长检测，并按照新的工作电流检测，恢复正常空间扫描检测。

第九步，根据应用环境条件变化的频率和幅度(如:外部环境温度、系统内部温度)，定时循环执行本发明的检测方法步骤。

而上述方法不仅适用于空间扫描，对于时间扫描的检测方法也是可行的，因为输出激光是在扫描的，可以方便的看到参考吸收位置。当需要位置扫描检测时，激光输出是恒定的直流，不能监测到气体吸收位置，在此本发明也实质上采用了参考和检测光路复用的方法：定时步进发出激光扫描信号并在检测光路中推入气体参考池，在空间扫描的范围中选择一个点位，每扫描空间一次改变一点电流，连续采集一个扫描周期，将得到的光信号产生一个吸收谱图，再根据此图中气体吸收的位置去调整激光波长，完成以后退出参考池并返回气体检测流程。

实施例二

与上述方法相对应，参照图5所示，本发明实施例还提供一种用于气体检测的激光波长锁定的装置，该装置用以执行上述波长锁定方法，所述装置包括：激光器1、探测器2、气体吸收池3、电动推杆4以及控制模块5，其中，所述控制模块5分别连接所述激光器1、电动推杆4及探测器2，所述激光器1与探测器2平行设置，所述激光器1发出的光强被所述探测器2接收，探测器2将光强反馈给所述控制模块5，所述控制模块5在需要进行波长调整或波长位置检测时，给所述电动推杆4一个指令，并控制所述电动推杆4动作将气体吸收池3推入激光器至探测器之间的检测光路，同时，所述控制模块5控制所述激光器1进行步进扫描，进入波长检测模式，每扫描空间一次改变一点电流，并连续采集至少一个扫描周期，将得到的光信号产生一个吸收谱图，所述控制模块5根据吸收位置确定新的激光器电流，并控制所述激光器1调整到新确定的电流值，此时激光器的波长就是我们期望的测量波长，达到了锁定波长的目的；完成波长检测和调整后，所述控制模块5再控制电动推杆4将气体吸收池3从原检测光路中拉出收回，同时控制激光器1退出波长检测模式，系统按照新的工作电流进入检测。

关于本实施例中的装置及相应的原理未详尽之处，请参照上述实施例中的方法的描述。

本发明实施例所述的一种用于气体检测的激光波长锁定的装置，相比原有的分光装置，减少了一套激光分光装置和一套参考光探测电路，激光输出的光强可全部用于检测，有利于长距离检测，参考光探测电路的减少降低了成本。

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 (9)

1.一种用于气体检测的激光波长锁定的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一、定时步进发出激光扫描信号并在检测光路中推入气体参考池；

步骤二、在空间扫描的范围内选择至少一个点位，每扫描空间一次改变一点电流，连续采集至少一个扫描周期，将得到的光信号产生一个吸收谱图；

步骤三、根据吸收谱图中气体吸收的位置去调整激光波长。

2.根据权利要求1所述的用于气体检测的激光波长锁定的方法，其特征在于，在步骤一中，先使得激光器光源工作在稳定温度和电流，进行正常的空间扫描，当需要校准波长时，不停止空间扫描，将气体参考池推入检测光路。

3.根据权利要求2所述的用于气体检测的激光波长锁定的方法，其特征在于，在步骤二中，保持激光器温度不变，改变激光器工作电流，在参考电流附近范围内进行步进扫描。

4.根据权利要求3所述的用于气体检测的激光波长锁定的方法，其特征在于，在进行步进扫描过程中，判断检测光路信号是否返回，排除检测光路上其它物体的干扰。

5.根据权利要求1所述的用于气体检测的激光波长锁定的方法，其特征在于，在步骤二中，在空间上选取多个点进行光谱图分析。

6.根据权利要求5所述的用于气体检测的激光波长锁定的方法，其特征在于，针对空间跨度较大的不同点位进行比较，对检测光路中不同空间位置进行参数修正，其中，所述参数包括光程、视场角。

7.根据权利要求1所述的用于气体检测的激光波长锁定的方法，其特征在于，在所述步骤三之后，还包括：将气体参考池拉出检测光路，并恢复正常的空间扫描检测。

8.一种用于气体检测的激光波长锁定的装置，其特征在于，所述系统包括：激光器、探测器、气体吸收池、电动推杆以及控制模块，其中，所述激光器发出的光强被所述探测器接收，并反馈给所述控制模块，所述控制模块在需要波长位置检测时，控制所述电动推杆动作将气体吸收池推入激光器至探测器之间的检测光路，同时，所述控制模块控制所述激光器进行步进扫描，每扫描空间一次改变一点电流，并连续采集至少一个扫描周期，将得到的光信号产生一个吸收谱图，所述控制模块根据吸收位置确定新的激光器电流，并控制所述激光器调整到新确定的电流值工作。

9.根据权利要求8所述的用于气体检测的激光波长锁定的装置，其特征在于，所述控制模块在检测到激光器以新的电流值工作后，控制所述电动推杆将所述气体吸收池拉出检测光路。