CN108872146B - 一种基于tdlas的激光驱动装置和基于tdlas的激光发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于TDLAS的激光驱动装置，所述激光驱动装置和激光器连接，所述激光驱动装置包括激光驱动器、直流信号发生器、调制信号发生器和信号叠加发生器；激光驱动器分别与直流信号发生器和调制信号发生器连接，用于控制直流驱动信号的扫描范围和正弦波信号的频率；信号叠加发生器分别与直流信号发生器和调制信号发生器连接，用于将直流驱动信号和正弦波信号进行叠加生成激光驱动信号并将所述激光驱动信号输出至所述激光器，其中，激光驱动信号用于控制激光器输出电流的大小。

Description

一种基于TDLAS的激光驱动装置和基于TDLAS的激光发生装置
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及一种基于TDLAS的激光驱动装置。
背景技术
随着半导体技术的飞速发展，以TDLAS(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy，可调谐半导体激光吸收光谱)技术为代表的现代光谱检测技术被广泛应用于气体检测领域。TDLAS技术基本原理是由激光入射到被测气体中，经气体分子“选频”吸收后，其出射光强度发生改变，整个过程遵循比尔-朗伯定律，激光能量吸收程度取决于气体浓度，由此可反演出待测气体浓度。
但是，在采用TDLAS技术对气体浓度进行检测过程中，温度的变化、压强的波动以及待测气体之外其他气体的干扰等都会影响检测结果的精确度。为了精准测量待测气体的浓度，需要有效地抑制背景噪声对激光强度的影响。目前，通常使用的方法为增加一路激光作为参考光，通过两路激光的差分得出测量结果以提高了检测精度，但是这种方法会增加产品成本，提高设备的复杂性且降低设备的可靠性。
发明内容
本发明旨在解决现有技术的测量方法会增加产品成本，提高设备的复杂性且降低设备的可靠性的技术问题，提供一种基于TDLAS的激光驱动装置。
本发明提供一种实施例的基于TDLAS的激光驱动装置，所述激光驱动装置和激光器连接，所述激光驱动装置包括激光驱动器、直流信号发生器、调制信号发生器和信号叠加发生器；
直流信号发生器，用于产生直流驱动信号，其中所述直流驱动信号包括所述电流上升段、所述电流下降段和连接在所述电流上升段和所述电流下降段之间的电流恒定段；
调制信号发生器，用于产生正弦波信号；
激光驱动器分别与直流信号发生器和调制信号发生器连接，用于控制直流驱动信号的扫描范围和正弦波信号的频率；
信号叠加发生器分别与直流信号发生器和调制信号发生器连接，用于将直流驱动信号和正弦波信号进行叠加生成激光驱动信号并将所述激光驱动信号输出至所述激光器，其中，激光驱动信号用于控制激光器输出电流的大小。
本发明还提供一种实施例的基于TDLAS的激光发生装置，所述激光发生装置包括激光器和上述的激光驱动装置，所述激光器和所述激光驱动装置连接；
所述激光器，用于根据激光驱动装置的激光驱动信号，生成输出电流以注入待检测气体中。
本发明的技术方案与现有技术相比，有益效果在于：通过所述直流驱动信号包括所述电流上升段、所述电流下降段和连接在所述电流上升段和所述电流下降段之间的电流恒定段，以使同一所述激光器可以在不同的时间段产生参考光和吸收光，通过参考光和吸收光的差分处理可去除外界杂散光对测量造成的影响。
附图说明
图1为本发明基于TDLAS的激光驱动装置一种实施例的结构示意图。
图2为本发明激光驱动信号一种实施例的信号示意图。
图3为本发明基于TDLAS的激光发生装置一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本发明提供一种实施例的基于TDLAS的激光驱动装置，所述激光驱动装置1和激光器2连接，如图1所示，所述激光驱动装置1包括激光驱动器11、直流信号发生器12、调制信号发生器13和信号叠加发生器14；
直流信号发生器12，用于产生直流驱动信号，其中所述直流驱动信号包括所述电流上升段U段、所述电流下降段D段和连接在所述电流上升段U段和所述电流下降段D段之间的电流恒定段M段；
调制信号发生器13，用于产生正弦波信号；
激光驱动器11分别与直流信号发生器12和调制信号发生器13连接，用于控制直流驱动信号的扫描范围和正弦波信号的频率；
信号叠加发生器14分别与直流信号发生器12和调制信号发生器13连接，用于将直流驱动信号和正弦波信号进行叠加生成激光驱动信号并将所述激光驱动信号输出至所述激光器，其中，激光驱动信号用于控制激光器输出电流的大小。
具体的，激光驱动器11分别通过信号传输线分别与直流信号发生器12和调制信号发生器13连接，激光驱动器11负责对直流信号发生器12和调制信号发生器13进行控制以确定直流驱动信号的扫描范围和正弦调制信号的频率。所述直流信号发生器12和调制信号发生器13的输出信号通过信号叠加发生器14进行信号叠加。所述信号叠加发生器14的输出与激光器相连，所述直流信号发生器12发出的
Figure BDA0001704269850000021
波与调制信号发生器13发出的正弦波相叠加成激光驱动信号。所述直流信号发生器12发出的
Figure BDA0001704269850000022
形波由电流上升段U段、电流恒定段M段和电流下降段D段组成。
本发明的激光驱动装置，通过所述直流驱动信号包括所述电流上升段、所述电流下降段和连接在所述电流上升段和所述电流下降段之间的电流恒定段，以使同一所述激光器可以在不同的时间段产生参考光和吸收光，通过参考光和吸收光的差分处理可去除外界杂散光对测量造成的影响。不仅大大降低仪器设备的复杂性，节约成本，还进一步提高检测精度。
在具体实施中，所述直流驱动信号的频率为1～100Hz，所述正弦波信号的频率为1KHz～1MHz。具体的，所述直流信号发生器12发出的
Figure BDA0001704269850000031
波的频率为1～100Hz，所述调制信号发生器13发出正弦波的频率为1KHz～1MHz。
在具体实施中，所述电流上升段U段的电流大小随着时间变化而线性均匀增大，所述电流下降段D段的电流大小随着时间变化而线性均匀减小。具体的，所述电流上升段U段和电流下降段D段随时间变化分别线性均匀增大和减小，使得激光器输出的激光波长扫过待检测气体吸收的中心波长，所述电流上升段U段和电流下降段D段为扫描区，其中电流上升段U段和电流下降段D段的中间区域为吸收检测区，该吸收检测区的信号使得激光器输出的激光用于检测气体的浓度。所述电流恒定段M段的电流恒定，激光器在该段电流驱动下输出的激光波长处于气体的非吸收区，该段的激光用于对比消除环境产生的干扰。
在具体实施中，所述电流上升段U段和所述电流下降段D段的电流变化范围为0至第一预设电流值，所述电流恒定段M段的电流大小为第二预设电流值，所述第一预设电流值大于第二预设电流值。具体的，电流上升段U段的电流变化范围为0-100mA，电流恒定段M段的电流大小为80mA，电流下降段D段的电流变化范围为0-100mA。
在具体实施中，所述激光驱动信号包括上升扫描段、下降扫描段和连接在上升扫描段和下降扫描段之间的非吸收段，所述上升扫描段包括位于中间区域的第一检测段，所述下降扫描段包括位于中间区域的第二检测段；
所述上升扫描段和下降扫描段用于驱动所述激光器产生激光并在第一检测段和第二检测段以使所述激光为吸收光；
所述非吸收段用于驱动所述激光器产生激光并以使所述激光为参考光。
具体的，如图2所示，所述激光驱动信号是一叠加了正弦波的
Figure BDA0001704269850000032
形波，
Figure BDA0001704269850000033
形波包括上升扫描段U1段、下降扫描段D1段和连接在上升扫描段U1段和下降扫描段之D1间的非吸收段M1段，上升扫描段U1段和下降扫描段D为扫描区，此时激光器发出的激光波长扫过待测气体的吸收峰，当所述激光驱动信号为上升扫描段U1段和下降扫描段D中间区域时，此时激光器发出的激光的一部分能量能被待检测气体吸收，即此时的激光为吸收光，其能量变化与气体浓度相关。
Figure BDA0001704269850000034
形波的非吸收段M1段为非吸收区，激光器发射出的激光经过待检测气体时不会产生吸收，即此时的激光为参考光，通过参考光和吸收光的差分处理可去除外界杂散光对测量造成的影响。即利用双边调制取平均值的方法，对参考光和吸收光的差分处理可去除外界杂散光对测量造成的影响。
在具体实施中，本发明还提供一种实施例的基于TDLAS的激光发生装置，如图3所示，所述激光发生装置包括激光器和上述实施例的激光驱动装置，所述激光器和所述激光驱动装置1连接；
所述激光器，用于根据激光驱动装置的激光驱动信号，生成输出电流以注入待检测气体中。
本发明的激光发生装置，通过所述直流驱动信号包括所述电流上升段、所述电流下降段和连接在所述电流上升段和所述电流下降段之间的电流恒定段，以使同一所述激光器可以在不同的时间段产生参考光和吸收光，通过参考光和吸收光的差分处理可去除外界杂散光对测量造成的影响。不仅大大降低仪器设备的复杂性，节约成本，还进一步提高检测精度。
具体的，所述激光器具体为：DFB激光器2。
本发明基于时分复用差分调制的方法对激光器进行驱动。激光发生装置1最终产生的驱动信号是经正弦波调制的
Figure BDA0001704269850000041
形波，
Figure BDA0001704269850000042
形波可以使得所述DFB激光器2在不同的时刻输出波长不同的激光信号，达到时分复用的目的。
Figure BDA0001704269850000043
形波的左右斜边两部分扫过气体的吸收峰，激光的一部分能量会被待检测气体吸收，此时所述DFB激光器2输出的激光作为吸收光；在
Figure BDA0001704269850000044
形波的电流恒定段，此时激光的能量不会被待检测气体吸收，为非吸收部分，此时所述DFB激光器2输出的激光作为参考光。将左右两个斜边的信号多次取平均值和参考光做差分便可以去除待检测气体吸收之外的其他造成激光能量损耗的影响，那么只需一路激光，在不同时刻，该同一路激光可以作为吸收光或参考光，便可达到差分检测的效果。
具体的，双边调制取平均值的方法如下：由于在一个周期内有两个吸收检测区，激光驱动扫描信号在进行扫描时候，波形的上升段和下降段各有一个位置，刚好对应气体吸收峰所在波长，当激光被待检测气体吸收后，待检测气体的能量衰减，反映在波形信号图上就是，产生了凹陷，通过光电探测器探测待检测气体的能量以得到电压信号，那么凹陷处的记为U1和D1；然后不停扫描，就会得到U2、D2、U3、D3……，利用求平均值算法：
Figure BDA0001704269850000045
可以得到对应于气体吸收峰的那个位置的电压大小，根据现有的浓度反演公式，便可以计算出待检测气体的浓度。也就是说，只需要一路激光就可以实现气体浓度的检测。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.一种基于TDLAS的激光驱动装置，所述激光驱动装置和激光器连接，其特征在于：所述激光驱动装置包括激光驱动器、直流信号发生器、调制信号发生器和信号叠加发生器；
直流信号发生器，用于产生直流驱动信号，其中所述直流驱动信号包括电流上升段、电流下降段和连接在所述电流上升段和所述电流下降段之间的电流恒定段；
调制信号发生器，用于产生正弦波信号；
激光驱动器分别与直流信号发生器和调制信号发生器连接，用于控制直流驱动信号的扫描范围和正弦波信号的频率；
信号叠加发生器分别与直流信号发生器和调制信号发生器连接，用于将直流驱动信号和正弦波信号进行叠加生成激光驱动信号并将所述激光驱动信号输出至所述激光器，其中，激光驱动信号用于控制激光器输出电流的大小；所述激光驱动信号包括上升扫描段、下降扫描段和连接在上升扫描段和下降扫描段之间的非吸收段，所述上升扫描段包括位于中间区域的第一检测段，所述下降扫描段包括位于中间区域的第二检测段；
所述上升扫描段和下降扫描段用于驱动所述激光器产生激光并在第一检测段和第二检测段以使所述激光为吸收光；所述非吸收段用于驱动所述激光器产生激光并以使所述激光为参考光。
2.如权利要求1所述的激光驱动装置，其特征在于：所述直流驱动信号的频率为1～100Hz，所述正弦波信号的频率为1KHz～1MHz。
3.如权利要求1所述的激光驱动装置，其特征在于：所述电流上升段的电流大小随着时间变化而线性均匀增大，所述电流下降段的电流大小随着时间变化而线性均匀减小。
4.如权利要求3所述的激光驱动装置，其特征在于：所述电流上升段和所述电流下降段的电流变化范围为0至第一预设电流值，所述电流恒定段的电流大小为第二预设电流值，所述第一预设电流值大于第二预设电流值。
5.一种基于TDLAS的激光发生装置，其特征在于：所述激光发生装置包括激光器和如权利要求1-4任意一项所述的激光驱动装置，所述激光器和所述激光驱动装置连接；
所述激光器，用于根据激光驱动装置的激光驱动信号，生成输出电流以注入待检测气体中。
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