CN107764772A - 一种高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测方法 - Google Patents

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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
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers

Abstract

本发明公开了一种高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测方案，其基于开放反射式接收光路，通过对四个不同波长的半导体激光器进行同频正弦波调制、采用激光合束技术，实现光电流信号的反向叠加，利用低噪声前置放大电路将光电流信号转换低噪声的电压信号，通过滤波放大处理后，送入高速高位的ADC，实现信号的低失真数据采集，最后结合Beer‑Lambert吸收定律，利用吸收信号强度，结合光强强度、温度与定标值等参数，反演计算出甲烷气团的柱浓度。实现了多组分气体的高精度快速激光检测。

Description

一种高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测方法
技术领域
本发明涉及光学、激光光谱学及气体检测技术，特别涉及一种高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测方法。
背景技术
危险气体的监测，保障居民生活安全、工业生产及消防安全的必要手段。尤其是像H2S、CO等危险气体，具有爆炸下限低、爆炸范围广、极低浓度即可致命的危险气体，其监测就更要求精度高、速度快。而在实际监测环境中，同一待测空间，会同时对多种气体浓度进行监测，若采用传统的定点安装气体监测系统，一来系统较为庞大，通常一种气体的检测就需要数百个定点检测器才能遍布待测空间，多种气体的监测，其系统的庞大度可想而知；二来线缆工程会非常的巨大繁琐，成本较大；另外在特殊位置空间，仪器无法安装，可能会漏检。而采用遥测式气体检测仪虽然可以实现远距离无接触式检测，但因漫反射的光强很弱、抖动，造成其测量精度低、测量距离有限的缺点，且常规的遥测式气体检测仪仅对光谱吸收强度较强的甲烷气体进行浓度检测，而H2S、CO等危险气体的光谱吸收强度要远远弱于甲烷气体，而检测精度要求却大大提升，故采用普通的遥测式气体检测仪来测量H2S、CO等危险气体浓度是行不通的。
针对上述问题，我们设计了一种高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测方法，它基于同轴开放反射式收发光路，采用4个不同波长的可调制激光器，利用双路调制激光合束叠加，降低信号噪声，增加有用信号的可放大倍数，提高信噪比。通过信号叠加，可在一个采集周期内获取4路气体浓度信息。大大提高了多组分气体同步测量的精度与速率。
发明内容
本发明的目的是提供一种高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测方法，实现4种气体浓度的同步测量。
本发明采用的技术方案是：
基于双光轴开放反射式收发光路，结合多个可调制激光器、激光合束技术、光电探测及信号处理技术，实现了多种气体浓度的高精度快速测量。将两路调制激光经光合束后接人准直器发出，合束激光穿过待测空间经角反射镜反射，由光电探测器转换为光电流信号，利用低噪声前置放大电路将光电流信号转换低噪声的电压信号，经放大、滤波等信号处理后，接入高速高位数据采集与处理系统，处理器通过浓度反演算法与定标计算出气体柱浓度并输出。
一种高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测方法，其特征在于：
（1）采用双光轴开放反射式光路实现激光的发射与接收；
（2）在一个正弦周期内同时获取四种气体的浓度信号。
（3）两路调制激光经光合束后，接入准直器发射；
（4）合束后的准直激光穿过待测空间打在角反射镜上，反射激光在菲涅尔透镜的作用下聚集，经光电探测器转换为光电流信号。光电流信号经放大及滤波处理后，接入高速高位数据采集与处理系统，处理器通过浓度反演算法与定标计算出气体柱浓度并输出；
（5）合束的两路激光调制采用同一正弦信号源K sin（x），一路激光由正弦信号同相放大信号Asin（x）调制驱动，另一路激光由正弦信号的反相放大信号-Bsin（x）调制驱动；
（6）合束反射激光经同一光电探测器探测，共用同一信号处理电路；
（7）该方案给出了四种不同气体的高精度的自平衡式快速测量方案，但不局限于该四种气体的测量，通过更换、增加激光器，可实现更多种浓度气体的同时测量。
气体反演算法，是根据Beer-Lambert吸收定律，测量出气体吸收信号的强度，结合光强强度、温度与定标值等参数，计算出甲烷气体柱浓度。
激光双光轴开放反射式收发方法，其特征在于：
（1）包括有两路结构相同的同轴开放反射式光路；
（2）元件包括有四个半导体激光器、两个激光合束器、两个激光准直器、两个菲涅尔透镜、一个角反射镜、两个滤光片、两个光电探测器、一个指示镭射灯；
（3）激光定焦准直器、菲涅尔透镜、滤光片安装于同心轴上；
（4）激光准直器发射的激光光束与菲涅尔透镜的法线垂直；
（5）指示镭射灯与两路激光准直器平行安装；
（6）探测器之上安装红外带通滤光片。
该发明不仅仅局限于甲烷、氨气、硫化氢、一氧化碳四种气体的检测，通过更换、增加不同波长的半导体激光器，可实现其他有毒、危险气体的检测。
本发明的优点在于：
本发明以激光气体吸收光谱技术为本，基于正弦波调制半导体激光器，采用同轴开放式反射光路收发方法，利用4个不同波长的可调制激光器，运用双路调制激光合束叠加法，降低信号噪声，增加有用信号的可放大倍数，提高信噪比。通过信号叠加，可在一个采集周期内获取4路气体浓度信息。实现了多组分气体的高精度、快速检测。
附图说明
图1 为激光双光轴开放反射式收发光路示意图。
图2 为系统方案示意图。
图3 为双路激光叠加信号图。
图4 为叠加信号及其放大信号图。
图5 为理想状态下双路激光叠加信号图。
图6 为理想状态下双路激光叠加信号及其放大信号图。
具体实施方式
附图1给出了一种高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测装置光路示意图。一种高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测装置的光路，包括有4个激光器9、10、11、12，其波长分别对应甲烷、硫化氢、氨气、一氧化碳4种气体的吸收波长。由于甲烷与硫化氢的光谱吸收强度相近，氨气与一氧化碳的光谱吸收强度相近，故将甲烷与硫化氢的两路激光合束，将氨气与一氧化碳的两路激光合束。
该检测光路采用了两套一样的光路收发结构，其安装位置靠近，并采用同一角反射镜7反射。该光路收发结构包括：光合束器8、激光定焦准直器5、角反射镜7、红外滤光菲尼尔透镜4、红外带通滤光片3、光电探测器2、信号处理电路1。两路DFB激光器9、10发出的正弦波调制激光分别接入光合束器8的两个输入端口，光合束器8的合束输出接入激光定焦准直器5上，经聚焦的激光光束穿过待测空间的气团6，打在角反射镜7上，经角反射镜7的聚焦反射，激光返回并被红外滤光菲涅尔透镜4接收聚焦，聚焦光斑经红外带通滤光片3的滤光，投射到光电探测器2上，光电探测器2的输出信号接入信号处理电路1的输入端。
附图2给出了高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测方法的示意图。一种高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测方法，包括有两个激光合束器1、16,四个不同波长的半导体激光器2、3、4、5，四路独立的激光驱动控制6、7、8、9,两个同相放大模块10、12，两个反相放大模块11、13，一路DA信号输出14，主芯片控制系统15、角反射镜17，两路光电探测器18、19，两路前置放大电路20、21，两路滤波放大模块22、23，一个双通道的高速高位数据采集模块24。
主芯片控制系统15的DA模块输出一路标准的正弦波信号K sin（x），该DA模块的输出分别接在四路放大模块10、11、12、13的输入口，该正弦信号K sin（x）经同相放大1模块后得到信号A sin（x），经过反相放大1模块后得到信号-B sin（x），经过同相放大2模块后得到信号C sin（x），经过反相放大2模块后得到信号-D sin（x）。通过调节这四路放大电路的反馈程控电阻阻值，即可调整四路输出信号的幅度大小。该四路放大电路10、11、12、13的输出接在四路独立的激光驱动控制模块6、7、8、9的电流驱动模块输入口，激光驱动控制模块6的输出口接在激光器模块2上，激光驱动控制模块7的输出口接在激光器模块3上，激光驱动控制模块8的输出口接在激光器模块4上，激光驱动控制模块9的输出口接在激光器模块5上。其中激光器模块2、3接在激光合束器1的输入口，实现合束输出，激光器模块4、5接在激光合束器16的输入口，实现合束输出。发射的合束激光打在角反射镜17上，经过反射，合束激光分别打在光电探测器18、19表面，并由光电探测器18、19将叠加的光信号转换为电流信号。光电探测器18、19分别接在高信噪比的前置放大电路20、21的输入口将叠加电流信号转换为叠加电压信号，叠加信号如图3所示。前置放大电路20、21的输出接在滤波放大模块22、23的输入端，实现叠加信号放大，其放大后的信号如图4所示，滤波放大模块22、23的输出均接入高速高位的数据采集模块24的输入口，数据采集模块24的通信口与主芯片控制系统15的通信口相连，实现采集的数据的传递，主芯片控制系统15通过柱浓度反演计算出四种气体的柱浓度值。图5是理想状态下叠加信号的示意图，其背景正弦波幅度为0，图6是理想状态下的叠加信号经滤波放大后的效果图。

Claims (7)

1.一种高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测方案，其特征在于：基于双光轴开放反射式收发光路，结合多个可调制激光器、激光合束技术、光电探测及信号处理技术，实现了多种气体浓度的高精度快速测量；将两路调制激光经光合束后接人准直器发出，合束激光穿过待测空间经角反射镜反射，由光电探测器转换为光电流信号，利用低噪声前置放大电路将光电流信号转换低噪声的电压信号，经放大、滤波等信号处理后，接入高速高位数据采集与处理系统，处理器通过浓度反演算法与定标计算出气体柱浓度并输出。
2.一种基于权利要求1所述的一种高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测方案，其特征在于：
（1）采用双光轴开放反射式光路实现激光的发射与接收；
（2）在一个正弦周期内同时获取四种气体的浓度信号；
（3）两路调制激光经光合束后，接入准直器发射；
（4）合束后的准直激光穿过待测空间打在角反射镜上，反射激光在菲涅尔透镜的作用下聚集，经光电探测器转换为光电流信号；光电流信号经放大及滤波处理后，接入高速高位数据采集与处理系统，处理器通过浓度反演算法与定标计算出气体柱浓度并输出；
（5）合束的两路激光调制采用同一正弦信号源K sin（x），一路激光由正弦信号同相放大信号Asin（x）调制驱动，另一路激光由正弦信号的反相放大信号-Bsin（x）调制驱动；
（6）合束反射激光经同一光电探测器探测，共用同一信号处理电路 ；
（7） 该方案给出了四种不同气体的高精度的自平衡式快速测量方案，但不局限于该四种气体的测量，通过更换、增加激光器，可实现更多种浓度气体的同时测量。
3.根据权利要求2所述的一种高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测方案，其特征在于，所述的步骤（1）中提到的双光轴开放反射式光路收发方法，其特征在于：
（1）包括有两路结构相同的同轴开放反射式光路；
（2）元件包括有四个半导体激光器、两个激光合束器、两个激光准直器、两个菲涅尔透镜、一个角反射镜、两个滤光片、两个光电探测器、一个指示镭射灯；
（3）激光定焦准直器、菲涅尔透镜、滤光片安装于同心轴上；
（4）激光准直器发射的激光光束与菲涅尔透镜的法线垂直；
（5）指示镭射灯与两路激光准直器平行安装；
（6）探测器之上安装红外带通滤光片。
4.根据权利要求2所述的一种高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测方案，其特征在于，所述的步骤（2）中提到的一个正弦周期内可同时获取四种气体的浓度信号，是指采用同一高精度高速率的数据采集芯片，采集一个正弦信号周期后，可同时获取到四种气体的浓度信息。
5.根据权利要求2所述的一种高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测方案，其特征在于，所述的步骤（3）中提到的两路调制激光经光合束，是指波长不同的两个激光器，接入2路光合束器后，合并为一束激光发射；该两路激光光功率应相近，其气体的吸收强度应相差不大。
6.根据权利要求2所述的一种高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测方案，其特征在于，所述的步骤（5）中提到的同一正弦信号源sin（x），是由主芯片的DA输出产生的正弦波，分别经过同相、反相放大电路驱动两路不同的激光器，该驱动调制信号具有相同的频率、相位的特征。
7.根据权利要求2所述的一种高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测方案，不仅仅局限于所列举的四种气体的检测，通过更换、增加不同波长的半导体激光器，可实现其他多种有毒、危险气体的同时检测。
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