CN109813679B - 基于垂直腔面发射激光器的甲烷检测模块设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于垂直腔面发射激光器VCSEL的甲烷检测模块设计方法及装置，包括：预先设定若干温度范围，在每一个温度范围内，激光器波长的扫描范围将覆盖到至少两个甲烷吸收峰；根据测量的环境温度，自动匹配到与所测量环境温度范围相对应的甲烷吸收峰来测量甲烷浓度。本发明通过和VCSEL供应商的紧密合作筛选出性能指标符合上述要求的VCSEL激光器，将精确匹配甲烷吸收峰中心波长和激光器参数设计方案自动匹配到甲烷检测模块中，使新设计的甲烷检测模块设计方法可以有效地工作在‑20℃到60℃的环境温度范围内。

Description

基于垂直腔面发射激光器的甲烷检测模块设计方法及装置

技术领域

本发明涉及激光光谱分析技术领域，尤其涉及一种基于垂直腔面发射激光器的甲烷检测模块设计方法及装置。

背景技术

在中国，采取瓦斯抽放措施不仅解决煤矿瓦斯事故威胁、保障煤矿安全，同时又为瓦斯开发利用提供了资源。随着煤炭技术和信息技术的融合与发展,瓦斯监控系统在煤矿生产中得到了广泛推广与应用并发挥着极其重要的作用。根据国家安全规程规定，煤矿瓦斯抽放系统必须做到抽放泵站环境瓦斯监测、抽放流量监测、抽放瓦斯浓度监测、温度监测、管道压力监测。这些应用就要求用于管道的瓦斯传感器可以在高气压(200kPa)，大温度范围(-20°到60°)的条件下能够正常的工作。

目前，常用的管道红外甲烷传感器是一种专门用以监测煤矿瓦斯抽放管道内瓦斯气体浓度的检测仪表，可实现0％CH4～100％CH4范围内瓦斯气体的准确测量。现有的红外甲烷传感器由于其光谱宽，测量结果容易受到H2O和CO2的影响，在湿度较大的情况下、容易产生误报警的现象。

激光气体分析仪采用的是TDLAS光谱吸收技术，通过分析激光被气体的选择性吸收来获得气体的浓度。它与传统红外光谱吸收技术的不同之处在于，半导体激光光谱宽度远小于气体吸收谱线的展宽。因此，TDLAS技术可以只在气体吸收谱线扫描测量，排除了在气体吸收谱线外的其它气体的干扰，不但提高了测量分辨率，也使测量系统具有较强的抗干扰能力。相对于红外的气体分析仪，激光气体分析仪不易受H2O和CO2的影响，测量更准确，分辨率更高，寿命更长。

但是，发明人发现，目前可调谐激光吸收光谱技术TDLAS均采用分布反馈式DFB激光器作为其光源。由于DFB激光器的波长随温度而变化，这就需要在激光器旁边加入一个控温装置，以便补偿外界温度变化产生的影响，结果使整体模块的功耗大大增加。特别在较大工作温差(-20°到60°)的环境条件下，温控装置对补偿温度的效率将受到温度变化影响；同时，考虑到高气压对瓦斯吸收光谱的影响，使得以分布反馈式DFB激光器作为其光源的可调谐激光吸收光谱技术TDLAS受到限制。

发明内容

本发明充分利用VCSEL激光器的光学物理特性，提供了一种基于垂直腔面发射激光器的甲烷检测模块设计方法及装置，具有高气压、大温差以及低功耗的特点。

该检测方法不需要温控装置，在不同的工作温度下，通过动态的选择和锁定不同的吸收光谱峰值，并动态的调节相应的吸收系数，使VCSEL激光器在高温和低温情况下都能正常工作，从而扩展了常规的可调谐激光吸收光谱技术TDLAS的工作温度范围。该发明不仅克服了常规的DFB激光器加温控的高功耗缺点，而且很大地扩大了传感器的测量温度范围，使可调谐激光吸收光谱技术可以成功地使用在高气压，大温差的应用环境中。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

在一个或多个实施方式中公开的基于垂直腔面发射激光器VCSEL的甲烷检测模块设计方法，包括：预先设定若干温度范围，在每一个温度范围内，激光器波长的扫描范围将覆盖到至少两个甲烷吸收峰；根据测量的环境温度，自动匹配到与所测量环境温度范围相对应的甲烷吸收峰来测量甲烷浓度。

进一步地，所述预先设定的温度范围包括：-20°到0°，0°到20°，20°到40°，40°到60°。

进一步地，上述每一个温度范围内，激光器波长的扫描范围覆盖到最少两个甲烷吸收峰；它们依次为：1640.373nm和1642.914nm，1645.561nm和1648.239nm，1650.959nm和1653.722nm，以及1656.546nm和1659.412nm。

进一步地，分别确定VCSEL激光器在20℃时的中心波长值、VCSEL激光器波长随温度的变化值、VCSEL激光器波长随驱动电流的变化值以及VCSEL激光器的驱动电流大小；

根据测量的当前环境温度和VCSEL激光器波长随温度的变化值，确定激光器在当前温度下的中心波长；根据VCSEL激光器波长随驱动电流的变化值以及VCSEL激光器的驱动电流大小，确定激光器的波长扫描范围；根据预先确定的甲烷甲烷吸收峰波长值，确定当前测量温度下的甲烷吸收峰，利用相应的甲烷吸收峰系数，计算甲烷浓度。

进一步地，VCSEL激光器的中心波长值在20℃时在1647nm～1655nm。

进一步地，VCSEL激光器的光波随温度的变化值为0.10nm/℃～0.14nm/℃

进一步地，VCSEL激光器的光波随驱动电流的变化值为0.4nm/mA～0.6nm/mA。

进一步地，通过用锯齿波调谐VCSEL激光器的驱动电路，使激光器的光波长发生变化，形成周期性波长扫描。

在一个或多个实施方式中公开的一种基于垂直腔面发射激光器VCSEL的环境甲烷检测模块，采用上述的甲烷检测模块设计方法，使环境甲烷检测模块工作在设定的环境温度范围内。

在一个或多个实施方式中公开的一种基于垂直腔面发射激光器VCSEL的管道甲烷检测模块，采用上述的甲烷检测模块设计方法，使管道甲烷检测模块工作在设定的环境温度范围内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

克服了传统可调谐DFB激光吸收光谱技术中的缺点，即当DFB激光器作为传感光源时，由于DFB激光器需要恒温装置来保证其波长的稳定性，从而使得传感器难于用在大温差的工作环境温度。

本方案公开的甲烷检测模块具有体积小、成本低、响应时间短、检测精度高、无交叉干扰等优点，能够有效地推广应用。

通过和VCSEL供应商的紧密合作筛选出性能指标符合上述要求的VCSEL激光器，将精确匹配甲烷吸收峰中心波长和激光器参数设计方案自动匹配到甲烷检测模块中，使新设计的甲烷检测模块设计方法可以有效地工作在-20℃到60℃的环境温度范围内。

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为本发明实施例一所选择确定的8个甲烷吸吸收峰波长值示意图；

图2为本发明实施例一确定使用的激光器的光波在-20℃到60℃的波长变化范围示意图；

图3为本发明实施例一确定使用的VCSEL激光器的波长值和甲烷吸收峰值的相对关系示意图；

图4为本发明实施例二用于环境甲烷检测的模块外形图；

图5为本发明实施例二用于管道甲烷检测的模块外形图；

图6为本发明实施例二光纤光路组件的光路图；

图7为本发明实施例二光纤气体探测气室结构示意图；

图8为本发明实施例二电路组件的信号发射和接受处理的装置示意图。

具体实施方式

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。

在一个或多个实施方式中，公开了一种基于垂直腔面发射激光器的甲烷检测模块设计方法，包括：每一个甲烷检测模块需要采用多个甲烷吸收峰来作为其工作吸收峰，在不同的环境温度范围，甲烷检测模块使用不同的甲烷吸收峰来测量甲烷浓度；

甲烷检测模块在不同温度下自动切换到对应的工作甲烷吸收峰，并完成甲烷浓度的精确测量。同时，对应于所选择的甲烷吸收峰的中心波长，对VCSEL激光器的参数进行精确地设计和筛选。特别是激光器的一些重要参数进行筛选设计，包括：VCSEL激光器的中心波长值，VCSEL激光器波长随温度的变化值，VCSEL激光器波长随驱动电流的的变化值，以及VCSEL激光器的驱动电流(对应着VCSEL的波长)和甲烷吸收峰的关系。

作为一种实施方式，本方案的设计方法可以分成以下几个步骤：

步骤1：预先设定的四个温度范围(-20°到0°，0°到20°，20°到40°，40°到60°)；利用温度传感器测量被测气体的环境温度，从而确定甲烷检测模块是工作在哪一个温度范围；利用锯齿波调谐VCSEL激光器的驱动电路，使激光器的光波长发生变化，形成周期性波长扫描；在每一个温度范围内，激光器波长的扫描范围将覆盖到至少两个甲烷吸收峰；两个吸收峰都能用来测量甲烷浓度，在实际处理时，一般选择吸收峰变化大的测量值进行计算。

对于不同的甲烷吸收峰，其甲烷吸收系数是不同的，根据现场所测量的环境温度信息，动态地调整该吸收峰的吸收系数，使得甲烷检测模块在不同的环境温度范围内可以精确地测量到甲烷浓度；实现甲烷检测模块自动切换到与温度范围相对应的甲烷吸收峰来测量甲烷浓度；

为了确保基于VCSEL的甲烷检测模块可以工作在-20°到60℃范围内，以下8个甲烷吸收峰对应的波长值被选择作为本发明的工作吸收峰波长值，如图1所示。所选择确定的8个甲烷吸吸收峰波长值分别为1640.373nm,1642.914nm,1645.561nm,1648.239nm,1650.959nm,1653.722nm,1656.546nm和1659.412nm；

在-20°到0°温度区间，VCSEL激光器的光波将分别锁定甲烷吸收峰1640.373nm和1642.914nm；在0°到20°温度区间，VCSEL激光器的光波将分别锁定甲烷吸收峰1645.561nm和1648.239nm；在20°到40°温度区间，VCSEL激光器的光波将分别锁定甲烷吸收峰1650.959nm和1653.722nm；在40°到60°温度区间，VCSEL激光器的光波将分别锁定甲烷吸收峰1656.546nm和1659.412nm。

步骤2：确定VCSEL激光器的光波在20℃的中心波长值。在大量的试验测试的基础上，本实施方式选择使用的VCSEL激光器的中心波长值在20℃时为1647nm～1655nm。

步骤3：确定VCSEL激光器波长随温度的变化值。在大量的试验测试的基础上，本实施方式确定使用的VCSEL激光器的光波随温度的变化值为0.10nmnm/℃～0.14nmnm/℃。

步骤4：确定VCSEL激光器波长随驱动电流的变化值。在大量的试验测试的基础上，本实施方式确定使用的VCSEL激光器的光波随驱动电流的变化值为0.4nm/mA～0.6nm/mA。

步骤5：确定VCSEL激光器光波长在-20℃到60℃的波长变化范围值。在大量的试验测试的基础上，本实施方式确定使用的激光器的光波在-20℃到60℃的波长变化范围如图2所示。

步骤6：确定VCSEL激光器的波长值和多个甲烷吸收峰值的相对关系。在大量的试验测试的基础上，本发明确定使用的VCSEL激光器的波长值和甲烷吸收峰值的相对关系如图3所示。

根据测量的当前环境温度和VCSEL激光器波长随温度的变化值，确定激光器在当前温度下的中心波长；根据VCSEL激光器波长随驱动电流的变化值以及VCSEL激光器的驱动电流大小，确定激光器的波长扫描范围；根据预先确定的甲烷甲烷吸收峰波长值，确定当前测量温度下的甲烷吸收峰，利用相应的甲烷吸收峰系数，计算甲烷浓度。

在经过上述步骤的设计后，通过和VCSEL供应商的紧密合作筛选出性能指标符合以上要求的VCSEL激光器，成功的将精确匹配甲烷吸收峰中心波长和激光器参数设计方案用于甲烷检测模块中，使新设计的甲烷检测模块可以有效地工作在-20℃到60℃的环境温度范围内。

实施例二

基于实施例一中的基于垂直腔面发射激光器的甲烷检测模块设计方法，分别设计出用于环境甲烷检测和用于管道甲烷检测的两种模块。

这两种模块的主要区别是其通气口的机械设计不同。

环境甲烷检测模块的通气口的机械结构组件是采用了防水的堵头和防尘的过滤结构，如图4所示。机械结构组件由一个不锈钢上盖，一个带有电路腔和传感气体扩散腔的不锈钢柱形壳体，一个不锈钢下盖和一个滤尘防止喷淋水的构件组成。滤尘防止喷淋水的构件包括粉末冶金网、烧结网和防止喷淋水结构。

管道甲烷检测模块的通气口则采用了用于管道检测的卡盘，以便直接用于抽放管道中瓦斯浓度监测，如图5所示。机械结构组件由一个不锈钢上盖，一个带有电路腔和传感气体扩散腔的不锈钢柱形壳体，一个不锈钢下盖和一个滤尘防潮构件成；滤尘防潮构件则是将一块粉末冶金网和一块烧结网安装在卡盘内部而构成。

上述环境甲烷检测模块和管道甲烷检测模块的光纤光路组件均是由VCSEL激光器、一分三光纤耦合器、光纤气体探测气室或光纤传感头、自带参考气室的光电探测器、用于检测被测气体的光电探测器和检测光源稳定性的光电探测器组成。在光纤光路组件中，VCSEL激光器输出端连接光路组件的一分三光纤耦合器的输入端，如图6所示；一分三光纤耦合器的第一分路光纤输出端连接所述光纤传感气室；光纤传感气室的另一端，即输出光纤连接所述用于检测被测气体的光电探测器；一分三光纤耦合器的第二分路光纤输出端连接所述的自带参考气室的光电探测器；一分三光纤耦合器的第三分路光纤输出端连接所述的检测光源稳定性的光电探测器。这些光纤器件是用光纤熔接机按照图6的光路溶接在一起，形成一个完整的气体探测光路。

其中，光纤气体探测气室由依次连接的接入光纤、第一光纤平行光透镜、第一气体传感气室、第一光纤聚焦透镜镜、第一气体传感气室连接光纤、第二光纤平行光透镜、第二气体传感气室、第二光纤聚焦透镜镜和接出光纤等光纤器件组成。如图7所示，所述接入光纤可以是单模光纤或多模光纤；所述第一光纤平行光透镜将光纤的出射光束变成平行光束并射入第一气体传感气室；从第一气体传感气室射出的激光束则由第一光纤聚焦透镜镜耦合入第一气体传感气室连接光纤；从第一气体传感气室连接光纤的出射的激光束由第二光纤平行光透镜变成平行光束并射入第二气体传感气室；从第二气体传感气室射出的激光束则由第二光纤聚焦透镜镜耦合进入接出光纤并由光电探测器接收。第一气体传感气室和第二气体传感气室的侧面都钻有若干通气孔，被测甲烷经过设有金属滤网的通气孔扩散进入不锈钢柱形壳体的传感气体扩散腔中，然后经过传感气室的通气孔扩散进入传感气室。所有光纤器件安装在所述不锈钢柱形壳体内。

自带参考气室的光电探测器为采用一般的TO-can光电探测器加上特制套管而做成的光纤尾纤探测器。利用TO-can端面和光纤尾纤端面之间的空间组成参考气室。在特制套管的侧壁用激光打孔机打一个小孔，然后用针管将被测气体注入特制套管内；然后用紫外光胶将特制套管侧壁的小孔密封形成自带参考气室的光电探测器。

上述环境甲烷检测模块和管道甲烷检测模块的电路组件由温度传感器、压力传感器、激光器驱动电路和信号处理电路组成；在电路组件中，温度传感器和气压传感器分别连接到信号处理电路，如图8所示；VCSEL激光器的输入管脚连接到激光器驱动电路；三个光电探测器的输出端也分别连接到信号处理电路；信号处理电路的输出端通过一根四芯电缆连接，构成传感器探头的电子信号输出端口。

当瓦斯传感器模块在工作状态时，VCSEL激光器在驱动电流驱动下，发出和调制信号波形一样的连续光强波形。调谐电路将调谐信号通过VCSEL激光器变成调谐的光信号送入一分三光纤耦合器的接入光纤；调谐光信号的光强经过一分三光纤耦合器被分配三个通道；传输在第一通道的光束由被测气体浓度调制后由检测被测气体的光电探测器接收，形成测量的信号；传输在第二通道的光束由自带参考气室的光电探测器接收，形成参考信号；传输在第三通道的光束由检测光源稳定性的光电探测器接收，形成光源检测信号。从三个光电探测器上输出的信号加上从温度传感器和气压传感器上产生的信号均由信号处理电路处理，得到被测甲烷浓度的测试结果。

由于VCSEL激光器没有TEC温度控制器，环境温度的变化对其波长的变化和有一定的影响。同时，在不同的大气压力条件下，瓦斯在其吸收峰出的吸收效率不同。因此，在实际瓦斯气体检测时，通过温度传感器和气压传感器测量出环境温度和气压，根据所测温度大致判断光源波长的扫描范围，从参考信号中确定该温度下瓦斯吸收峰的波长，然后在测量信号的瓦斯吸收峰处测量光强度变化的大小，最后利用大气压力信息和Beer-Lambert定律计算出被测气体的浓度。

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.基于垂直腔面发射激光器VCSEL的甲烷检测模块设计方法，其特征在于，包括：预先设定若干温度范围，在每一个温度范围内，激光器波长的扫描范围将覆盖到至少两个甲烷吸收峰；根据测量的环境温度，自动匹配到与所测量环境温度范围相对应的甲烷吸收峰来测量甲烷浓度；

根据测量的当前环境温度和VCSEL激光器波长随温度的变化值，确定激光器在当前温度下的中心波长；根据VCSEL激光器波长随驱动电流的变化值以及VCSEL激光器的驱动电流大小，确定激光器的波长扫描范围；根据预先确定的甲烷吸收峰波长值，确定当前测量温度下的甲烷吸收峰，利用相应的甲烷吸收峰系数，计算甲烷浓度。

2.如权利要求1所述的基于垂直腔面发射激光器VCSEL的甲烷检测模块设计方法，其特征在于，所述预先设定的温度范围包括：-20°到0°，0°到20°，20°到40°，40°到60°。

3.如权利要求2所述的基于垂直腔面发射激光器VCSEL的甲烷检测模块设计方法，其特征在于，上述每一个温度范围内，激光器波长的扫描范围覆盖到最少两个甲烷吸收峰；它们依次为：1640.373nm和1642.914nm，1645.561nm和1648.239nm，1650.959nm和1653.722nm，以及1656.546nm和1659.412nm。

4.如权利要求1所述的基于垂直腔面发射激光器VCSEL的甲烷检测模块设计方法，其特征在于，分别确定VCSEL激光器在20℃时的中心波长值、VCSEL激光器波长随温度的变化值、VCSEL激光器波长随驱动电流的变化值以及VCSEL激光器的驱动电流大小。

5.如权利要求4所述的基于垂直腔面发射激光器VCSEL的甲烷检测模块设计方法，其特征在于，VCSEL激光器的中心波长值在20℃时在1647nm～1655nm。

6.如权利要求4所述的基于垂直腔面发射激光器VCSEL的甲烷检测模块设计方法，其特征在于，VCSEL激光器的光波随温度的变化值为0.10nm/℃～0.14nm/℃。

7.如权利要求4所述的基于垂直腔面发射激光器VCSEL的甲烷检测模块设计方法，其特征在于，VCSEL激光器的光波随驱动电流的变化值为0.4nm/mA～0.6nm/mA。

8.如权利要求1所述的基于垂直腔面发射激光器VCSEL的甲烷检测模块设计方法，其特征在于，通过用锯齿波调谐VCSEL激光器的驱动电路，使激光器的光波长发生变化，形成周期性波长扫描。

9.一种基于垂直腔面发射激光器VCSEL的环境甲烷检测模块，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的甲烷检测模块设计方法，使环境甲烷检测模块工作在设定的环境温度范围内。

10.一种基于垂直腔面发射激光器VCSEL的管道甲烷检测模块，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的甲烷检测模块设计方法，使管道甲烷检测模块工作在设定的环境温度范围内。

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