CN110361360A - 用于气体检测的可调谐激光器半波扫描控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于气体检测的可调谐激光器半波扫描控制方法及系统，作用于待测气体的扫描信号采用三角波，当扫描信号处于顶点时，可调谐激光器的输出波长位于待测气体的吸收中心波长处，将调制信号加载到扫描信号上得到叠加信号，作用于可调谐激光器产生激光，入射到气室，将气室出射的光信号转化为电信号，再将电信号经过数据处理得到携带有气体浓度信息的二次谐波，通过提取所述二次谐波的强度变化，实现气体浓度的检测。本发明提供的半波扫描与传统扫描相比，在同周期内仅测到一组二次谐波，不会出现两组二次谐波，避免了吸收峰交叠的现象，便于观察气体谱线线型变化以及对谱线半高宽的测量，从而实现对气体的温度和压强变化检测。

Description

用于气体检测的可调谐激光器半波扫描控制方法及系统

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，更具体地，涉及一种用于气体检测的可调谐激光器半波扫描控制方法及系统。

背景技术

可调谐激光气体吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技术一般利用低频的锯齿波或三角波作为扫描信号，在扫描信号上加载高频正弦调制信号以驱动窄线宽可调谐激光器，产生的激光通过待测气体，气体对于不同波长的光吸收强度不同，因此输出的激光强度会随着激光波长的改变而变化。通过提取激光强度变化中的二次谐波信号，可以得到与气体浓度相关的信息。在2000年，T.nakaya Iseki等人就已经实现了利用1.66μm的DFB激光器实现大气中甲烷浓度的连续测量。而在国内，哈尔滨工程大学张可可在《光谱吸收式光纤气体检测理论及技术研究》一文中分析了二次谐波的检测原理，并得出在气体吸收线中心频率处，二次谐波的幅值与待测气体的浓度成正比。

传统的TDLAS技术中激光器输出波长对准气体吸收峰的中心波长位置，通过完整扫描覆盖整条吸收谱信息，但实际上，常用的谐波检测法中只有二次谐波的峰值与待测气体浓度直接相关，其余旁瓣处的扫描过程对气体浓度的测量没有提供实用信息，反而增加系统的扫描时间间和数据量。此外，在二次谐波检测中，一个采样周期内来回需要对吸收峰采样两次，采样过程重复，而且二次谐波容易受到环境的干扰，一个采样周期出现两个吸收峰容易引起吸收峰的交叠。另一方面，激光器光源温度、待测气体环境温度和待测气体环境压强的变化都会影响气体检测的准确度。光源温度变化是影响激光器稳定工作的关键因素之一，直接影响气体浓度信息检测的准确性和有效性。待测气体环境温度变化会导致气体吸收峰的漂移。传统的TDLAS技术通过三角波或锯齿波扫描的方法来解决光源波长漂移后无法对准气体吸收线的漂移问题，但是不能实时反映出待测气体环境温度的具体变化量，对于气体环境压强信息也无法感知，还有可能出现多气体检测时由于吸收峰串扰而产生气体交叉干扰。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于气体检测的可调谐激光器半波扫描控制方法及系统，旨在解决现有气体的温度和压强测量准确率低的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种用于气体检测的可调谐激光器半波扫描控制方法，包括扫描信号采用低频三角波，且扫描信号在顶点时可调谐激光器输出波长位于待测气体的吸收中心波长处，将调制信号加载到所述扫描信号上，叠加的信号作用于可调谐激光器产生的激光通过待测气体，气体对于不同波长的光吸收强度不同，因此输出的激光强度会随着激光波长的改变而变化，通过提取激光强度变化中的二次谐波，可以得到气体相关的信息。

优选地，调制信号为高频正弦波信号。

本发明定义全波扫描为激光器输出波长范围的中心值对准气体吸收峰的中心波长，三角波由于在上升沿叠加高频正弦信号，在相同检测周期内能检测到一个峰值信息。三角波两侧都叠加高频正弦信号，因此在相同周期能够等距检测到两个二次谐波峰值信息，这是目前TDLAS测量气体浓度最常用的方法之一。

本发明定义半波扫描为激光器输出波长的扫描范围最大值与气体吸收峰中心波长严格对准，在三角波一个扫描周期内恰好出现一个吸收峰。

本发明定义欠波扫描为激光器输出波长扫描的范围最大值未达到气体吸收峰的中心波长处，扫描周期内仅出现一个吸收峰，且比半波扫描时的二次谐波峰值要小。

气体温度、压强与吸收线宽的表达式为：

其中γ_L为半高宽，γ为气体压力展宽系数，N是气体分子数，R是理想气体常数，V是气体体积，n是温度系数。n在特定波长处是常数，通过查询HITRAN数据库可以得到。因此，根据二次谐波谱线线宽可以得出待测气体温度及压强。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述半波扫描方法的TDLAS气体检测方法，包括采用半波扫描的可调谐激光器出射的激光入射到气室，将气室出射的光信号转化为电信号，再将电信号经过数据处理得到携带有气体浓度信息的二次谐波，通过提取二次谐波的强度变化，实现气体浓度的检测。

进一步地，数据处理包括放大电路处理后经过带通滤波器得到由于吸收而变形的正弦信号，然后通过锁相放大以及滤波处理得到携带有气体浓度信息的二次谐波。

进一步地，在气室中的气体谱线为洛伦兹型，利用半波扫描在同周期中仅在半周期处测到二次谐波，当气室中温度变化时，谱线的线型和大小会发生变化，根据谐波谱线与温度的关系得到气室内待测气体的温度。

进一步地，在气室中的气体谱线为洛伦兹型，利用半波扫描在同周期中仅在半周期处测到二次谐波，当气室中压强变化时，谱线的线型和大小会发生变化，根据谐波谱线与温度的关系得到气室内待测气体的压强。

优选地，气室出射的激光波长受环境温度的影响，当温度发生改变时，激光器输出的波长发生漂移，测到的二次谐波在同周期内会出现两个二次谐波或者一个比二次谐波幅值小的谐波，得到激光器的温度变化和输出波长稳定性。

优选地，电信号在相同周期内仅能检测到一次二次谐波峰值。

按照本发明的又一方面，提供了一种TDLAS气体检测系统，包括：

可调谐激光器，采用半波扫描信号与调制信号叠加后作用于可调谐激光器出射激光；

气室，用于放置待测气体；

光电探测器，用于将所述气室出射的光信号转化为电信号；

数据处理模块，用于对电信号进行分析检测。

进一步地，半波扫描信号的扫描范围最大值与气体吸收峰中心波长对准，在一个扫描周期内出现一个吸收峰。

相比于传统可调谐激光器吸收光谱TDLAS技术，采用半波扫描控制方法后，在一个三角波同周期内仅在中间半周期处出现测到一个二次谐波幅值，可以降低谐波信号频率和采样速率，可以同时反映待测气体温度和压强的变化，并实时监控激光器输出波长稳定性。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下

有益效果：

1、本发明提供的可调谐激光器的半波扫描控制方法用三角波作为扫描信号，半波扫描与传统扫描相比，在同周期内仅测到一组二次谐波，不会出现两组二次谐波，避免了吸收峰交叠的现象，便于观察气体谱线线型变化以及对谱线半高宽的测量，从而实现对气体的温度和压强变化检测，同周期只需采样一个峰值，可以减小采样率，降低数据处理的要求，半波扫描吸收峰出现在采样周期三角波的峰值处，具有时间均匀性，波形对称性；

2、本发明提供的可调谐激光器的半波扫描方法可以排除吸收峰相近的杂质气体的干扰，当有多种吸收峰相互串扰的气体，半波扫描采用一半频带扫描可以将有效气体的吸收峰保留，将干扰气体的吸收峰屏蔽，达到排除杂质干扰的目的；

3、本发明提供的可调谐激光器的半波扫描方法利用半波扫描的原理来实时反映出待测气体的压强和温度信息，并对激光器工作温度变化进行实时监测，半波扫描是在气体吸收谱线中心处采集二次谐波信息，相比于全波扫描有一个参照点，当二次谐波形状发生变化可以判断温度是否漂移，并可以根据漂移信息来测出气体的压强和温度，达到实时监控的目的。

附图说明

图1是本发明提供的可调谐激光器的全波扫描控制方法的示意图；

图2是本发明提供的可调谐激光器的欠波扫描控制方法的示意图；

图3是本发明提供的可调谐激光器的半波扫描控制方法的示意图；

图4是本发明提供的TDLAS气体检测系统的结构框图；

图5是本发明提供的基于全波扫描控制方法的TDLAS气体检测方法的二次谐波示意图；

图6是本发明提供的基于浅薄扫描控制方法的TDLAS气体检测方法的二次谐波示意图；

图7是本发明提供的基于半波扫描控制方法的TDLAS气体检测方法的二次谐波示意图；

图8是本发明提供的TDLAS气体检测方法中的扫描方式介于半波扫描和全波扫描之间驱动下的二次谐波交叠示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种可调谐激光器的半波扫描方法，包括扫描信号采用低频三角波，且扫描信号在顶点时激光器输出波长位于待测气体的吸收中心波长处，将调制信号加载到所述扫描信号上，叠加的信号作用于可调谐激光器产生的激光通过待测气体，通过提取激光强度变化中的二次谐波，可以得到与气体浓度相关的信息。

优选地，调制信号为高频正弦波信号。

利用TDLAS技术检测气体浓度信息时，为确保激光器的输出扫过整条吸收谱线，须将激光器的输出中心对准吸收谱线的中心。按照本发明定义的三种扫描方式，图1至图3分别显示了全波扫描、欠波扫描和半波扫描的示意图。

图1通过控制扫描波电流中间均值时激光器输出波长与气体吸收峰值波长对准来实现全波扫描。这时会在扫描电流中间值处出现一个二次谐波吸收峰。常温常压下，气体吸收谱线呈现由碰撞展宽的洛伦兹线型，图1中洛伦兹函数代表气体吸收谱线，直线三角波为激光输出(注入电流)的扫描信号，正弦波代表加载在扫描信号的高频信号。激光注入电流的中心对准气体吸收谱线的中心波长。

图2欠波扫描是扫描电流驱动激光器输出的最大波长未达到气体吸收中心波长，但因气体吸收光谱有一定的展宽，所以在扫描电流峰值处仍会出现一个二次谐波。欠波扫描是激光输出扫描信号幅度不够，此时不能覆盖气体吸收谱线的中心波长，测得气体二次谐波不准，一般我们要避免这种情况的出现。但我们也可以根据背景中提出的线宽和温度、压强的关系来得出气体的相关信息。也可以先测出激光器温度的变化对峰值变化的影响，然后在根据实验中测得的峰值大小来反推激光器的温度。

如图3所示，半波扫描与全波扫描不同，半波扫描要控制扫描峰值与气体吸收峰对准，电流驱动激光器输出的最大波长与气体吸收中心波长对准，因此一个周期只会出现一个吸收峰值。当杂质气体的吸收峰与待测气体吸收峰临近于待测气体时，全波扫描就会产生较大的干扰，影响吸收峰选取，对气体浓度检测和吸收峰的线宽均造成极大干扰。而半波扫描因为扫描峰值波长刚好与待测气体吸收峰中心波长对准，因此扫描信号会屏蔽干扰气体的吸收峰，达到排除杂质气体干扰的目的。

待测气体环境温度和压强会影响气体吸收峰的峰值和线宽，当气体温度和气体浓度一定时，根据线宽与压强的公式可以计算出压强的大小。

本发明还提供了一种基于上述半波扫描方法的TDLAS气体检测方法，包括采用半波扫描的可调谐激光器出射的激光入射到气室，将气室出射的光信号转化为电信号，实现气体温度和压强的检测。

本发明还提供了一种TDLAS气体检测系统，如图4所示，包括：

低频三角波信号1，可通过代码编写用单片机或波形发生器产生全波、欠波和半波扫描形式的三角波。不同类型的三角波对二次谐波的波形有直接影响，传统TDLAS技术采用全波扫描，本发明采用半波扫描的方法。

高频正弦波信号2，可通过代码编写用单片机或波形发生器产生，目的是便于数据处理提取二次谐波。

可调谐激光器3，通过低频三角波扫描信号和高频正弦波调制信号共同作用驱动产生激光；

气室4，用于放置待测气体；

光电探测器5，将所述气室出射的激光的光信号转化为电信号；

数据处理模块6，用于对电信号进行分析检测。

图5表示扫描信号采用全波扫描方式测到的二次谐波。扫描信号的上升沿和下降沿的中心处对准气体吸收谱线中心波长，因此在一个周期内等距处有两个二次谐波。

图6表示扫描信号采用欠波扫描方式测到的二次谐波。三角波扫描信号的顶点处扫不到待测气体吸收谱线中心波长，因此实际产生的二次谐波幅值比理论值小，对气体浓度检测造成很大误差，需要避免。

图7表示扫描信号采用半波扫描方式测到的二次谐波。三角波顶点恰好能扫到待测气体吸收谱线中心波长，因此在一个周期的半周期处产生二次谐波，对二次谐波峰值采样次数比图5降低了一半，提高了软件计算和处理速度，对系统有很大的改进。采用半波扫描方式还能实现对激光器的温度变化和气室内压强和温度变化监控，有利于生产安全：一方面，在一个三角波周期内仅在中间处出现一个二次谐波信号，当气室内的温度和压强发生改变时，二次谐波的幅值和线宽会相应改变，可分别进行气室温度和压强改变实验，得到不同条件下的二次谐波幅值和线宽大小，通过反演函数计算出线宽和幅值随温度和压强的变化函数，在实际环境测到的二次谐波可根据反演函数计算出气室的实际压强和温度信息，达到监控目的；另一方面，激光器的输出波长主要受驱动电流大小和温度变化的影响，在保证驱动信号稳定下，当激光器所处环境温度变化时，激光的输出波长会发生漂移，此时气体吸收谱线中心波长和激光器输出波长不重合，则会出现两次二次谐波或者比理论值小的二次谐波，通过比较二次谐波的位置和数量变化来判断激光器的温度变化，进而可以检测激光器是否能稳定输出。

图8表示扫描信号采用的方式介于半波扫描和全波扫描之间测到的二次谐波。三角波的顶点刚扫过气体吸收谱线中心波长一点时会扫描回去，此时会有双峰交叠现象，这种现象理论上是可以测量二次谐波幅值信号，但谱线线宽大小以及线型变化不容易观察和计算，不能实现对激光器的温度监测以及气室内的温度和压强变化监测。

以上各种情况是对半波扫描方法的优势，对气体浓度、温度、压强的多参数实时测量都具有重要意义，具有实际应用价值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于气体检测的可调谐激光器半波扫描控制方法，其特征在于，作用于待测气体的扫描信号采用三角波，当扫描信号处于顶点时，可调谐激光器的输出波长位于待测气体的吸收中心波长处，将调制信号加载到所述扫描信号上得到叠加信号，所述叠加信号作用于可调谐激光器产生激光。

2.根据权利要求1所述的半波扫描方法，其特征在于，所述调制信号为正弦信号。

3.一种基于权利要求1或2所述的半波扫描控制方法的TDLAS气体检测方法，其特征在于，包括采用扫描信号和调制信号叠加后驱动的可调谐激光器出射的激光入射到气室，将气室出射的光信号转化为电信号，再将电信号经过数据处理得到携带有气体浓度信息的二次谐波，通过提取所述二次谐波的强度变化，实现气体浓度的检测。

4.根据权利要求3所述的气体检测方法，其特征在于，所述数据处理包括放大电路处理后经过带通滤波器得到由于吸收而变形的正弦信号，然后通过锁相放大以及滤波处理得到携带有气体浓度信息的二次谐波。

5.根据权利要求3所述的气体检测方法，其特征在于，在所述气室中的气体谱线为洛伦兹型，利用半波扫描在同周期中仅在半周期处测到二次谐波，当气室中温度变化时，谱线的线型和大小会发生变化，根据二次谐波谱线与温度的关系得到气室内待测气体的温度。

6.根据权利要求3所述的气体检测方法，其特征在于，在所述气室中的气体谱线为洛伦兹型，利用半波扫描在同周期中仅在半周期处测到二次谐波，当气室中压强变化时，谱线的线型和大小会发生变化，根据二次谐波谱线与温度的关系得到气室内待测气体的压强。

7.根据权利要求3所述的气体检测方法，其特征在于，所述气室出射的激光波长受环境温度的影响，当温度发生改变时，激光器输出的波长发生漂移，测到的二次谐波在同周期内会出现两个二次谐波或者一个比二次谐波幅值小的谐波，得到激光器的温度变化和输出波长稳定性。

8.根据权利要求3所述的气体检测方法，其特征在于，所述电信号在相同周期内仅能在扫描信号半周期处检测到二次谐波峰值。

9.一种TDLAS气体检测系统，其特征在于，包括：

可调谐激光器，采用半波扫描信号与调制信号叠加后作用于可调激光器出射激光；

气室，用于放置待测气体；

光电探测器，用于将所述气室出射的光信号转化为电信号；

数据处理模块，用于对电信号进行分析检测。

10.根据权利要求3所述的气体检测系统，其特征在于，所述半波扫描信号的扫描范围最大值与气体吸收峰中心波长对准，在一个扫描周期内出现一个吸收峰。