CN107991267A - 波长捷变的可调谐半导体激光吸收光谱气体检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波长捷变的可调谐半导体激光吸收光谱气体检测装置及方法，装置包括激光器、环形器、反射式探头、光电探测器和数据转换单元，激光器受到激励时输出波长和光强随驱动电流周期变化的光信号，传输给环形器，环形器接收激光器的光信号，并将该光信号传输给反射式探头，反射式探头含有一段固定距离的开放光路，实现光信号与被测气体的相互作用，并将反射式探头返回的光信号给光电探测器，将光信号转换为微弱电流模拟信号，输出给数据转换单元，得到被测气体浓度值。每个周期的光强变化和波长变化，分为两个阶段。利用波长远离被测气体吸收谱线的第一个阶段光强变化量，补偿波长覆盖被测气体吸收谱线的第二个阶段光强变化量，改善测量精度和长期稳定性。

Description

波长捷变的可调谐半导体激光吸收光谱气体检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种波长捷变的可调谐半导体激光吸收光谱气体检测装置及方法。

背景技术

在光纤气体检测领域，光谱吸收方法是最常见的检测技术。该方法利用特定波长的光在气体中透射或者反射时光强的衰减来检测气体的浓度。每一种气体都有自己的特征吸收谱线，当光源发出的光波长与气体的吸收谱线重合时，会产生光吸收现象，光强会发生一定程度的衰减，衰减量与气体的浓度有关。

当一束光强为I₀的平行光通过含有被测气体的气室时，如果光信号覆盖被测气体的吸收谱线，则透射或反射光强发生衰减。根据比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律，输出光强I(λ)与输入光强I₀(λ)、气体浓度C之间的关系为：

其中，α_λ是被测气体在光波长为λ时的吸收系数，L是吸收路径的长度。

由式(1-1)可得：

当光信号波长λ恒定时，α_λ是一个常数，L可以测量得到。所以，通过检测I₀(λ)和I(λ)就可以得到被测气体浓度。

在使用光谱吸收原理检测被测气体浓度时，有许多因素会影响到检测精度：光源波长漂移、被测气体吸收谱线受到温度、压强影响等。为了克服这些因素对检测精度的影响，普遍采用的技术是可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术。

TDLAS技术采用线宽远小于传统红外光源的分布式反馈激光器(DFB)作为光源，利用三角波或锯齿波形状的驱动电流，对光源输出的波长进行线性调制，使波长扫描范围覆盖被测气体的吸收谱线。根据光功率的衰减量，判断被测气体的浓度。

但是，TDLAS技术着重解决的是光源波长漂移和被测气体吸收谱线变化对检测精度的影响。而光源的功率稳定性、光信号链路耦合处耦合状态的变化、光电器件指标漂移等随机因素同样会造成被测量光信号的强度变化，严重影响测量的准确性。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种波长捷变的可调谐半导体激光光谱气体检测装置及方法，本发明利用波长捷变技术，补偿了光源的功率漂移、光信号链路耦合处耦合状态的变化、光电器件指标漂移等随机因素造成的光信号强度变化，提高了气体检测的精度和长期稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种波长捷变的可调谐半导体激光光谱气体检测装置，包括激光器、环形器、反射式探头、光电探测器和数据转换单元，其中：

所述激光器受到激励时输出波长和光强随驱动电流变化的光信号，传输给环形器，环形器接收激光器的光信号，并将该光信号传输给反射式探头，反射式探头含有一段固定距离的开放光路，实现光信号与被测气体的相互作用，并将反射式探头返回的光信号给光电探测器，将光信号转换为微弱电流模拟信号，输出给数据转换单元，得到被测气体浓度值。

进一步的，所述数据转换单元包括依次连接的放大器、模数转换器、控制器、数模转换器和电流源，所述放大器连接光电探测器，所述电流源连接激光器。

更进一步的，所述控制器输出控制信号和数据信号给数模转换器，使数模转换器输出周期性的电压模拟信号，每一个周期内，电压模拟信号分为2个阶段：第一阶段，电压值为较低的恒定值；第二阶段，电压值为锯齿波形，且起始电压明显高于第一阶段的恒定电压。

更进一步的，电流源将数模转换器的电压模拟信号转换为电流模拟信号，驱动激光器，激光器在电流源的激励下，输出波长和光强随驱动电流变化的光信号，传输给环形器。

更进一步的，光电探测器将光信号转换为微弱电流模拟信号，输出给放大器，放大器将微弱电流模拟信号转换为电压模拟信号，并进行幅度放大，输出给模数转换器，模数转换器将模拟电压信号转换为数字信号，输出给控制器。

更进一步的，控制器接收数字信号后，在每一个周期内，首先利用第一阶段的数字量，对第二阶段的数字量进行补偿，然后计算第二阶段数字量与被测气体浓度为零时的数字量的差异，最后根据差异大小计算被测气体浓度值。

进一步的，所述激光器连接有温控器，保持激光器的温度恒定。

进一步的，所述环形器有三个端口，第一端口接收激光器的光信号；第二端口将第一端口的光信号通过光纤传输给反射式探头，并将反射式探头返回的光信号传输给第三端口，第三端口通过光纤输出光信号给光电探测器。

基于上述装置的工作方法，包括以下步骤：

(1)激光器在驱动电流的作用下，输出光强和波长周期性变化的光信号；

(2)在开放光路中，光信号与被测气体相互作用；

(3)测量被测气体浓度为零时，每个周期的第二个阶段的返回光强；针对不同浓度的被测气体样品，测量每个周期的第一个阶段的返回光强，以及每个周期的第二个阶段的返回光强；

(4)比较被测气体浓度为零时每个周期的第二个阶段的返回光强和不同浓度的被测气体每个周期的第二个阶段的返回光强，差值最大的地方确定为光波长恰好对准被测气体吸收谱线中心波长的时刻，确定光波长对准被测气体吸收谱线中心波长时光信号与被测气体相互作用后的光强和被测气体浓度的线性关系式；

(5)对光强波动进行补偿，计算出浓度标定时光信号与被测气体相互作用后的光强值，得到准确的被测气体浓度值。

进一步的，所述步骤(1)中，分别利用每个周期的第一阶段恒定的光强值和第二阶段起始光强值，表示激光器的光信号，得到光强变化范围。

进一步的，所述步骤(2)中，在探头的开放光路中，光信号与被测气体相互作用，被测气体的浓度与光强的关系为：在每个周期的第一个阶段，激光器的波长远离被测气体的吸收谱线，此时光强的变化与被测气体浓度没有关系；在每个周期的第二个阶段，激光器的波长扫描范围覆盖被测气体的吸收谱线，当光波长对准吸收谱线的中心波长时，光强的衰减量与被测气体浓度呈线性关系。

进一步的，所述步骤(3)中，测量被测气体浓度为零时，每个周期的第二个阶段的返回光强，记录的数字量是一个锯齿波形状的一维数组，记为针对不同浓度的被测气体样品，测量得到每个周期的第一个阶段的返回光强，记为I₀₁；以及每个周期的第二个阶段的返回光强，记为比较两个一维数组和差值最大的地方是光波长恰好对准被测气体吸收谱线中心波长的时刻，对应的数组中的值就是光波长对准被测气体吸收谱线中心波长时光信号与被测气体相互作用后的光强值I_C，根据多个被测气体标准浓度时的I_C值，得到I_C和被测气体浓度C的线性关系式。

所述步骤(5)中，测量每个周期的第一个阶段的返回光强，记为I₀₂，测量每个周期的第二阶段的返回光强，记录偏离锯齿波形最远的光强值，记为I_C2，由于I₀₂和I_C2来自完全一致的光电信号链路，受到的随机影响完全相同，因此有：

以此对光强波动进行补偿，计算出浓度标定时的光信号与被测气体相互作用后的光强值，得到最终的被测气体浓度值。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明利用波长捷变技术，将每个周期的光强变化和波长变化，分为两个阶段：第一个阶段，光波长远离被测气体的吸收谱线，此时光强的变化与被测气体浓度没有关系；第二个阶段，光波长扫描范围覆盖被测气体的吸收谱线，光强的衰减量与被测气体浓度呈线性关系；利用第一个阶段光强的变化量，补偿第二个阶段光强的变化量，消除光源的功率漂移、光信号链路耦合处耦合状态的变化、光电器件指标漂移等随机因素造成的光信号强度的随机变化，然后根据线性关系计算被测气体浓度，提高了测量精度和长期稳定性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是装置结构图；

图2是电压模拟信号波形图；

图3是激光器输出光强图；

图4是被测气体浓度不为零时的返回光强图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中TDLAS技术着重解决的是光源波长漂移和被测气体吸收谱线变化对检测精度的影响。而光源的功率稳定性、光信号链路耦合处耦合状态的变化、光电器件指标漂移等随机因素同样会造成被测量光信号的强度变化，严重影响测量的准确性，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种波长捷变的可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)气体检测装置及方法，本发明利用波长捷变技术，补偿了光源的功率漂移、光信号链路耦合处耦合状态的变化、光电器件指标漂移等随机因素造成的光信号强度变化，提高了气体检测的精度和长期稳定性。

一种波长捷变的可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)气体检测装置，如图1所示，包括：控制器、数模转换器、电流源、激光器、温控器、环形器、反射式探头、光电探测器、放大器、模数转换器。控制器、模数转换器、电流源、激光器、环形器依次连接；温控器连接激光器，控制激光器的温度；环形器和反射式探头通过光纤连接；环形器、光电探测器、放大器、模数转换器、控制器依次连接。

控制器输出控制信号和数据信号给数模转换器，使数模转换器输出周期性的电压模拟信号。每一个周期内，电压模拟信号分为2个阶段：第一阶段，电压值为较低的恒定值；第二阶段，电压值为锯齿波形，且起始电压明显高于第一阶段的恒定电压，如图2所示。

电流源将数模转换器的电压模拟信号转换为电流模拟信号，用于驱动激光器。

激光器在电流源的激励下，输出波长和光强随驱动电流变化的光信号，传输给环形器，如图3所示。

温控器保持激光器的温度恒定。

环形器有3个端口。端口1接收激光器的光信号；端口2将端口1的光信号通过光纤传输给反射式探头，并将反射式探头返回的光信号传输给端口3；端口3通过光纤输出光信号给光电探测器。

反射式探头含有一段固定距离的开放光路，实现光信号与被测气体的相互作用。

光电探测器将光信号转换为微弱电流模拟信号，输出给放大器。

放大器将微弱电流模拟信号转换为电压模拟信号，并进行幅度放大，输出给模数转换器。

模数转换器将模拟电压信号转换为数字信号，输出给控制器。

控制器接收数字信号后，在每一个周期内，首先利用第一阶段的数字量，对第二阶段的数字量进行补偿，然后计算第二阶段数字量与被测气体浓度为零时的数字量的差异，最后根据差异大小计算被测气体浓度值。

基于上述装置，被测气体以易燃易爆的甲烷气体为例，采用以下方法得到甲烷气体的浓度值：

第一步：周期性光信号的产生

激光器在驱动电流的作用下，输出光强和波长周期性变化的光信号：

其中，I(t)表示激光器输出的光强信号；t表示时间；T表示周期；ΔT表示每个周期中第二阶段的时间长度，且ΔT<T；k是整数，且k＝0,1,2,3…；

其中，λ(t)表示激光器输出的光波长。

并且，光信号的波长为1645.0nm时，远离甲烷气体的吸收谱线，光强不受甲烷气体浓度影响；光信号的波长为1645.5nm时，靠近甲烷气体的吸收谱线，且0.2nm波长的范围也足够大，使得光源波长漂移、或者甲烷气体吸收谱线受到温度、压强影响而产生漂移时，1645.5～1645.7nm能够始终覆盖甲烷气体的吸收谱线。

第二步：光信号和甲烷气体的相互作用

在探头的开放光路中，光信号与甲烷气体相互作用：

其中，I_C表示光信号与甲烷气体相互作用后的光强；I_in表示进入开放光路之前的光信号强度；表示在甲烷气体吸收谱线中心波长处的吸收系数；L表示开放光路的有效光程；C表示甲烷气体浓度；λ＝λ_C表示式2-3成立的前提是，光波长恰好等于甲烷气体吸收谱线中心波长。

通常情况下，在甲烷气体浓度很低时就需要报警。因此，气体检测一般仅关注低浓度值的测量。

当甲烷气体浓度较低时，式2-3可以简化为：

得到甲烷气体浓度为：

在每个周期的第一个阶段，激光器的波长远离甲烷气体的吸收谱线，此时光强的变化与甲烷气体浓度没有关系；在每个周期的第二个阶段，激光器的波长扫描范围覆盖甲烷气体的吸收谱线，当光波长对准吸收谱线的中心波长时，光强的衰减量与甲烷气体浓度呈线性关系。

第三步：浓度标定

在实验室环境下，首先测量甲烷气体浓度为零时，每个周期的第二个阶段的返回光强，记录的数字量是一个锯齿波形状的一维数组，记为然后针对不同浓度的甲烷气体样品，测量得到每个周期的第一个阶段的返回光强，是一个常数，记为I₀₁；以及每个周期的第二个阶段的返回光强，也是一个数组，记为比较两个一维数组和差值最大的地方就是光波长恰好对准甲烷气体吸收谱线中心波长的时刻，对应的数组中的值就是式2-5中的I_C值，如图4所示。根据多个甲烷气体标准浓度时的I_C值，可以得到I_C和甲烷气体浓度C的线性关系式。

第四步：光强波动补偿

当光源的功率漂移、光信号链路耦合处耦合状态的变化、光电器件指标漂移等随机因素造成的光信号强度发生随机变化时，返回光强会产生变化，此时根据浓度标定时得到的线性关系式来计算甲烷气体浓度会产生误差。因此，需要对光强波动进行补偿。

实际测量时，首先测量每个周期的第一个阶段的返回光强，记为I₀₂；然后测量每个周期的第二阶段的返回光强，记录偏离锯齿波形最远的光强值，记为I_C2。由于I₀₂和I_C2来自完全一致的光电信号链路，受到的随机影响完全相同，因此有：

可以通过式2-6，以及测量得到的I_C2，对光强波动进行补偿，计算出浓度标定时的I_C，从而得到非常准确的甲烷气体浓度值。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种波长捷变的可调谐半导体激光光谱气体检测装置，其特征是：包括激光器、环形器、反射式探头、光电探测器和数据转换单元，其中：

所述激光器受到激励时输出波长和光强随驱动电流变化的光信号，传输给环形器，环形器接收激光器的光信号，并将该光信号传输给反射式探头，反射式探头含有一段固定距离的开放光路，实现光信号与被测气体的相互作用，并将反射式探头返回的光信号给光电探测器，将光信号转换为微弱电流模拟信号，输出给数据转换单元，得到被测气体浓度值。

2.如权利要求1所述的一种波长捷变的可调谐半导体激光光谱气体检测装置，其特征是：所述数据转换单元包括依次连接的放大器、模数转换器、控制器、数模转换器和电流源，所述放大器连接光电探测器，所述电流源连接激光器；

或，电流源将数模转换器的电压模拟信号转换为电流模拟信号，驱动激光器，激光器在电流源的激励下，输出波长和光强随驱动电流变化的光信号，传输给环形器。

3.如权利要求2所述的一种波长捷变的可调谐半导体激光光谱气体检测装置，其特征是：所述控制器输出控制信号和数据信号给数模转换器，使数模转换器输出周期性的电压模拟信号，每一个周期内，电压模拟信号分为2个阶段：第一阶段，电压值为较低的恒定值；第二阶段，电压值为锯齿波形，且起始电压明显高于第一阶段的恒定电压；

控制器接收数字信号后，在每一个周期内，首先利用第一阶段的数字量，对第二阶段的数字量进行补偿，然后计算第二阶段数字量与被测气体浓度为零时的数字量的差异，最后根据差异大小计算被测气体浓度值。

4.如权利要求1所述的一种波长捷变的可调谐半导体激光光谱气体检测装置，其特征是：光电探测器将光信号转换为微弱电流模拟信号，输出给放大器，放大器将微弱电流模拟信号转换为电压模拟信号，并进行幅度放大，输出给模数转换器，模数转换器将模拟电压信号转换为数字信号，输出给控制器。

5.如权利要求1所述的一种波长捷变的可调谐半导体激光光谱气体检测装置，其特征是：所述激光器连接有温控器，保持激光器的温度恒定；

或，所述环形器有三个端口，第一端口接收激光器的光信号；第二端口将第一端口的光信号通过光纤传输给反射式探头，并将反射式探头返回的光信号传输给第三端口，第三端口通过光纤输出光信号给光电探测器。

6.基于如权利要求1-5中任一项所述的装置的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)激光器在驱动电流的作用下，输出光强和波长周期性变化的光信号；

(2)在开放光路中，光信号与被测气体相互作用；

(3)测量被测气体浓度为零时，每个周期的第二个阶段的返回光强；针对不同浓度的被测气体样品，测量得到每个周期的第一个阶段的返回光强，以及每个周期的第二个阶段的返回光强；

(4)比较被测气体浓度为零时每个周期的第二个阶段的返回光强和不同浓度的被测气体每个周期的第二个阶段的返回光强，差值最大的地方确定为光波长恰好对准被测气体吸收谱线中心波长的时刻，确定光波长对准被测气体吸收谱线中心波长时光信号与被测气体相互作用后的光强值和被测气体浓度的线性关系式；

(5)对光强波动进行补偿，计算出浓度标定时光信号与被测气体相互作用后的光强值，得到准确的被测气体浓度值。

7.如权利要求6所述的工作方法，其特征是：所述步骤(1)中，分别利用每个周期的第一阶段恒定的光强值和第二阶段起始光强值，表示激光器的光信号，得到光强变化范围。

8.如权利要求6所述的工作方法，其特征是：所述步骤(2)中，在探头的开放光路中，光信号与被测气体相互作用，被测气体的浓度与光强的关系为：在每个周期的第一个阶段，激光器的波长远离被测气体的吸收谱线，此时光强的变化与被测气体浓度没有关系；在每个周期的第二个阶段，激光器的波长扫描范围覆盖被测气体的吸收谱线，当光波长对准吸收谱线的中心波长时，光强的衰减量与被测气体浓度呈线性关系。

9.如权利要求6所述的工作方法，其特征是：所述步骤(3)中，测量被测气体浓度为零时，每个周期的第二个阶段的返回光强，记录的数字量是一个锯齿波形状的一维数组，记为针对不同浓度的被测气体样品，测量得到每个周期的第一个阶段的返回光强，记为I₀₁；以及每个周期的第二个阶段的返回光强，记为比较两个一维数组和差值最大的地方是光波长恰好对准被测气体吸收谱线中心波长的时刻，对应的数组中的值就是光波长对准被测气体吸收谱线中心波长时光信号与被测气体相互作用后的光强值I_C，根据多个被测气体标准浓度时的I_C值，得到I_C和被测气体浓度C的线性关系式。

10.如权利要求6所述的工作方法，其特征是：测量每个周期的第一个阶段的返回光强，记为I₀₂，测量每个周期的第二阶段的返回光强，记录偏离锯齿波形最远的光强值，记为I_C2，由于I₀₂和I_C2来自完全一致的光电信号链路，受到的随机影响完全相同，因此有：

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以此对光强波动进行补偿，计算出浓度标定时的光信号与被测气体相互作用后的光强值，得到最终的被测气体浓度值。