CN110470622A - 气体浓度检测方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种气体浓度检测方法、装置及系统。其中，方法包括同步控制激光信号驱动装置输出激光调制信号和气体浓度测量装置的PZT压电陶瓷驱动单元输出周期性阶梯分段驱动信号；该驱动信号由多个相同的阶梯波形信号组成，各阶梯波形信号依次包括第一电压稳压段、电压上升段、第二电压稳压段和电压下降段，电压上升段和电压下降段驱动压电陶瓷周期性改变光学谐振腔的腔长，并在各阶梯波形信号的第一电压稳压段和第二电压稳压段控制输出激光调制信号；通过拟合处理利用TDLAS光波动提取技术计算的光波动数据和利用CEAS腔增强检测技术计算的待测气体浓度数据得到去除光波动干扰的气体浓度，在保证气体浓度检测精度的同时提升了系统的易用性。

Description

气体浓度检测方法、装置及系统

技术领域

本发明实施例涉及激光光谱检测技术领域，特别是涉及一种气体浓度检测方法、装置及系统。

背景技术

工业的快速发展在促进全球经济和现代工业迅猛发展的过程中，同时还带来了大量工业废气，这些工业废气往往均是有毒有害气体，不仅会导致大气污染日益严重，持续恶化人类赖以生存的自然环境，还直接威胁着人类财产和生命安全，高精度、快速检测环境中的气体浓度势在必行，尤其是在环境监测、化工生产、燃爆安全方面以及科学研究领域中，这就对检测气体浓度的仪器设备提出了更高要求。

光谱分析根据物质本身微观粒子，例如分子、原子或离子的性质及相互之间作用表现的特征性，并通过一定手段研究分析其变化规律，以某种光谱形式进行表征。通常，凡是待测物质受到某种能量作用后产生光信号，或待测物质受到光作用后产生某种分析信号的分析方法均称为光谱分析法。半导体激光光源为利用半导体材料作为工作物质的激光光源，具有小巧、高效、寿命长、易于集成等优势。随着半导体激光技术的快速发展，CEAS(Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy，腔增强吸收光谱)技术作为气体检测的新兴手段被广泛应用。

CEAS技术利用光学谐振腔的谐振特性与激光的增益特性来实现高灵敏度的光谱检测，其基本原理是通过检测腔内建立的光强的时间积分或最大光强来获得被测物质的吸收光谱，或者是说可通过测量激光光源出射的光信号透过光学谐振腔后的光强信息来计算得到腔内介质的吸收信息，可实现超长光程，具有极高的检测精度。

但是，对于基于CEAS技术制备的CEAS气体检测系统，由于激光光源本身的光波动对气体浓度检测结果具有一定影响，使得气体检测系统的易用性大大降低。

发明内容

本公开实施例提供了一种气体浓度检测方法、装置及系统，在保证检测精度的同时提升了气体浓度检测系统的易用性。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

本发明实施例一方面提供了一种气体浓度检测方法，应用于包括利用CEAS技术计算气体浓度的气体浓度测量装置和利用TDLAS技术动态校正激光光源光波动的光波动信息提取装置的气体浓度检测系统，包括：

同步控制激光信号驱动装置输出激光调制信号和所述气体浓度测量装置的PZT压电陶瓷驱动单元输出周期性阶梯分段驱动信号；

获取所述光波动信息提取装置计算的光波动数据和所述气体浓度测量装置计算的待测气体浓度数据；

拟合处理待测气体浓度数据和所述光波动数据得到去除光波动干扰的气体浓度；

其中，所述周期性阶梯分段驱动信号由多个相同的阶梯波形信号组成，每个阶梯波形信号依次包括第一电压稳压段、电压上升段、第二电压稳压段和电压下降段，所述电压上升段和所述电压下降段用于驱动PZT压电陶瓷周期性改变光学谐振腔的腔长；所述激光调制信号为在各阶梯波形信号的第一电压稳压段和第二电压稳压段时被输出。

可选的，所述激光调制信号用于对激光光源进行正弦波叠加三角波的谐波调制，以使所述激光光源输出波长扫过所述待测气体吸收的中心波长。

本发明实施例另一方面提供了一种气体浓度检测装置，应用于包括利用CEAS技术测量气体浓度信息的气体浓度测量装置和利用TDLAS技术动态校正激光光源光波动的光波动信息提取装置的气体浓度检测系统，包括：

信号同步控制模块，用于同步控制激光信号驱动装置输出激光调制信号和所述气体浓度测量装置的PZT压电陶瓷驱动单元输出周期性阶梯分段驱动信号；所述周期性阶梯分段驱动信号由多个相同的阶梯波形信号组成，每个阶梯波形信号依次包括第一电压稳压段、电压上升段、第二电压稳压段和电压下降段，所述电压上升段和所述电压下降段用于驱动PZT压电陶瓷周期性改变光学谐振腔的腔长；所述激光调制信号为在各阶梯波形信号的第一电压稳压段和第二电压稳压段时被输出；

信息获取模块，用于获取所述光波动信息提取装置计算的光波动数据和所述气体浓度测量装置计算的待测气体浓度数据；

气体浓度计算模块，用于拟合处理待测气体浓度数据和所述光波动数据得到去除光波动干扰的气体浓度。

本发明实施例还提供了一种气体浓度检测系统，包括如前任一项所述气体浓度检测装置、激光信号驱动装置、激光光源、光波动信息提取装置及气体浓度测量装置；

其中，所述激光信号驱动装置用于输出激光调制信号调制所述激光光源的输出波长；

所述光波动信息提取装置用于利用TDLAS技术动态校正激光光源光波动，提取所述激光光源的光波动数据；

所述气体浓度测量装置用于利用CEAS技术计算待测气体的气体浓度。

可选的，还包括光学分束器；

所述光学分束器用于将所述激光光源出射的激光信号分为第一束光信号和第二束光信号，并分别出射至所述光波动信息提取装置和所述气体浓度测量装置。

可选的，所述激光信号驱动装置包括激光器驱动单元、直流信号发生单元、调制信号发生单元和信号叠加单元；

所述激光器驱动单元与所述气体浓度检测装置相连，并通过信号传输线分别和所述直流信号发生单元和所述调制信号发生单元相连；所述信号叠加单元用于将所述直流信号发生单元和所述调制信号发生单元输出的信号进行叠加后输出至所述激光光源。

可选的，所述激光信号驱动装置用于在周期性阶梯分段驱动信号的各阶梯波形信号的第一电压稳压段和第二电压稳压段时对所述激光光源进行正弦波叠加三角波的谐波调制。

可选的，所述光波动信息提取装置包括已知浓度的标准气体吸收池、第一光电探测器和锁相放大电路；

所述第一光电探测器用于采集第一束光信号通过所述标准气体吸收池后的第一光信号；

所述锁相放大电路用于提取所述第一光信号的二次谐波信号，根据所述二次谐波信号计算标准气体的实际浓度，通过对比分析所述实际浓度和所述已知浓度得到所述激光光源的光波动数据，并将所述光波动数据发送至所述气体浓度检测装置。

可选的，所述气体浓度测量装置包括用于充入所述待测气体的光学谐振腔、PZT压电陶瓷、PZT压电陶瓷驱动单元、第二光电探测器和浓度计算模块；

所述PZT压电陶瓷在所述PZT压电陶瓷驱动单元的驱动下调节所述光学谐振腔的腔长，以使第二束光信号的波长与所述光学谐振腔的腔长满足将所述第二束光信号耦合至腔内的共振条件；所述第二光电探测器用于采集所述第二束光信号穿过所述光学谐振腔后出射的光强度信息；所述浓度计算模块用于根据所述光强度信息和所述激光光源的工作波长计算得到所述待测气体的气体浓度，并将所述气体浓度发送至所述气体浓度检测装置。

可选的，所述气体浓度测量装置还包括光隔离器；

所述光隔离器设置在所述激光光源和所述光学谐振腔之间，用于抑制所述光学谐振腔的光学反馈。

本申请提供的技术方案的优点在于，利用时分复用差分调制的方法分别进行TDLAS技术动态校正光源的光波动和CEAS技术腔增强激光气体检测。在保持激光器驱动单元与PZT压电陶瓷驱动单元同步的状态下，基于周期性阶梯分段驱动方法的不同阶段分别处理TDLAS技术动态校正光波动和CEAS腔增强气体检测，不仅解决了TDLAS动态光波动校正技术对激光器的谐波调制与CEAS腔增强检测技术中腔共振条件相互影响的问题，而且在一个检测周期内可以进行两次校正激光光源的光波动和两次待测气体的浓度检测，在保证检测精度，达到时分复用的目的，提升气体浓度检测系统的易用性。

此外，本发明实施例还针对气体浓度检测方法提供了相应的实现装置及系统，进一步使得所述方法更具有实用性，所述装置及系统具有相应的优点。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或相关技术的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种气体浓度检测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种周期性阶梯分段驱动原理示意图；

图3为本发明实施例提供的一种周期性阶梯分段驱动过程示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种周期性阶梯分段驱动调制示意图；

图5为本发明实施例提供的气体浓度检测装置的一种具体实施方式结构图；

图6为本发明实施例提供的气体浓度检测系统的另一种具体实施方式结构图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

在介绍了本发明实施例的技术方案后，下面详细的说明本申请的各种非限制性实施方式。

首先参见图1，图1为本发明实施例提供的一种气体浓度检测方法的流程示意图，应用于包括利用CEAS技术计算气体浓度的气体浓度测量装置和利用TDLAS技术动态校正激光光源光波动的光波动信息提取装置的气体浓度检测系统，本发明实施例可包括以下内容：

S101：同步控制激光信号驱动装置输出激光调制信号和气体浓度测量装置的PZT压电陶瓷驱动单元输出周期性阶梯分段驱动信号。

可以理解的是，激光信号驱动装置向激光光源输出激光调制信号，以调制激光光源输出特定波长的激光信号，激光信号用于后续利用CEAS技术对待测气体进行浓度测试，以及用于利用TDLAS技术提取激光光源的光波动信息。在利用CEAS技术对待测气体进行浓度测试过程中，为了将激光信号耦合至光学谐振腔，利用PZT压电陶瓷周期性改变光学谐振腔腔长，以使腔长和激光波长满足共振条件。PZT压电陶瓷由PZT压电陶瓷驱动单元输出驱动信号进行控制。

在本申请中，如图2所示，同步控制激光信号驱动装置和PZT压电陶瓷驱动单元的信号输出时间，为了解决CEAS检测技术中腔共振条件与TDLAS技术调谐激光器相互影响的问题。PZT压电陶瓷驱动单元输出的驱动信号为周期性阶梯分段驱动信号，如图2中的波形信号，周期性阶梯分段驱动信号由多个相同的阶梯波形信号组成，一个周期T为一个阶梯波形信号，每个阶梯波形信号依次包括第一电压稳压段a、电压上升段b、第二电压稳压段c和电压下降段d。各阶梯波形信号处于电压上升段和电压下降段时，可用于驱动PZT压电陶瓷周期性改变光学谐振腔的腔长；各阶梯波形信号处于第一电压稳压段和第二电压稳压段时，控制激光信号驱动装置输出激光调制信号。也就是说，在PZT压电陶瓷驱动单元的电压恒定段时，对激光器光源进行谐波调制，使激光器光源的输出波长扫过待测气体吸收的中心波长。可选的，激光调制信号用于对激光光源进行正弦波叠加三角波的谐波调制，以使激光光源输出波长扫过待测气体吸收的中心波长。以如图3为例，PZT压电陶瓷驱动单元输出周期性阶梯分段驱动信号，激光信号驱动装置在电压稳定段利用TDLAS技术通过锁相放大器单元分别提取激光光源发生光波动和未发生光波动时的二次谐波信号，获取激光光源的光波动数据。在周期性阶梯分段驱动信号的电压上升段和电压下降段，利用CEAS腔增强技术检测待测气体浓度。PZT驱动单元与激光器驱动单元需保持同步状态，能够解决CEAS检测技术中腔共振条件与TDLAS技术调谐激光器相互影响的问题。

S102：获取光波动信息提取装置计算的光波动数据和气体浓度测量装置计算的待测气体浓度数据。

S103：拟合处理待测气体浓度数据和光波动数据得到去除光波动干扰的气体浓度。

本申请中，可采用任何一种拟合算法结合光谱学理论知识处理待测气体浓度数据和光波动数据得到去除光波动干扰的气体浓度，本申请对此不作任何限定。可选的，可采用ARM主控制器作为本发明实施例的执行主语，当然，也可采用其他任何一种处理器或微处理器，这均不影响本申请的实现。

进一步的，为了使本领域技术人员更加清楚明白本申请提出的PZT压电陶瓷的周期性阶梯分段驱动方法，请参阅图4，本申请还提供了一个具体的实例，具体可包括：周期性阶梯分段驱动信号由电压稳定段(t1段)、电压上升段(t2段)、电压稳定段(t3段)和电压下降段(t4段)组成。激光信号驱动装置与PZT压电陶瓷驱动单元保持同步状态下。在电压稳定段(t1段)和电压稳定段(t3段)对激光器进行正弦波叠加三角波的谐波调制，使激光器的输出波长扫过待测气体吸收的中心波长。在电压上升段(t2段)和电压下降段(t4段)PZT压电陶瓷驱动单元驱动压电陶瓷周期性扫描改变谐振腔的腔长，实现激光信号与腔长满足共振条件将激光信号耦合进光学谐振腔内。

在本发明实施例提供的技术方案中，利用时分复用差分调制的方法分别进行TDLAS技术动态校正光源的光波动和CEAS技术腔增强激光气体检测。在保持激光器驱动单元与PZT压电陶瓷驱动单元同步的状态下，在周期性阶梯分段驱动方法的不同阶段分别处理TDLAS技术动态校正光波动和CEAS腔增强气体检测，不仅解决了TDLAS动态光波动校正技术对激光器的谐波调制与CEAS腔增强检测技术中腔共振条件相互影响的问题，而且在一个检测周期内可以进行两次校正激光光源的光波动和两次检测待测气体，在保证检测精度，达到时分复用的目的，提升气体浓度检测系统的易用性。

本发明实施例还针对气体浓度检测方法提供了相应的实现装置，进一步使得所述方法更具有实用性。下面对本发明实施例提供的气体浓度检测装置进行介绍，下文描述的气体浓度检测装置与上文描述的气体浓度检测方法可相互对应参照。

参见图5，图5为本发明实施例提供的气体浓度检测装置在一种具体实施方式下的结构图，应用于包括利用CEAS技术测量气体浓度信息的气体浓度测量装置和利用TDLAS技术动态校正激光光源光波动的光波动信息提取装置的气体浓度检测系统，该装置可包括：

信号同步控制模块501，用于同步控制激光信号驱动装置输出激光调制信号和气体浓度测量装置的PZT压电陶瓷驱动单元压电陶瓷驱动单元输出周期性阶梯分段驱动信号；周期性阶梯分段驱动信号由多个相同的阶梯波形信号组成，每个阶梯波形信号依次包括第一电压稳压段、电压上升段、第二电压稳压段和电压下降段，电压上升段和电压下降段用于驱动PZT压电陶瓷周期性改变光学谐振腔的腔长；激光调制信号为在各阶梯波形信号的第一电压稳压段和第二电压稳压段时被输出。

信息获取模块502，用于获取光波动信息提取装置计算的光波动数据和气体浓度测量装置计算的待测气体浓度数据；

气体浓度计算模块503，用于拟合处理待测气体浓度数据和光波动数据得到去除光波动干扰的气体浓度。

本发明实施例所述气体浓度检测装置的各功能模块的功能可根据上述方法实施例中的方法具体实现，其具体实现过程可以参照上述方法实施例的相关描述，此处不再赘述。

由上可知，本发明实施例解决了TDLAS动态光波动校正技术对激光器的谐波调制与CEAS腔增强检测技术中腔共振条件相互影响的问题，在保证检测精度，还有效提升气体浓度检测系统的易用性。

本发明实施例还提供了一种气体浓度检测系统，参见图6，可包括：

气体浓度检测装置61、激光信号驱动装置62、激光光源63、光波动信息提取装置64及气体浓度测量装置65。激光信号驱动装置62可用于输出激光调制信号调制激光光源的输出波长；光波动信息提取装置64可用于利用TDLAS技术动态校正激光光源光波动，提取激光光源的光波动数据；气体浓度测量装置65用于利用CEAS技术计算待测气体的气体浓度。气体浓度检测装置61的各单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与上述方法实施例基于同一构思，具体内容可参见方法实施例中的叙述，此处，便不再赘述。

本发明实施例所述气体浓度检测系统的各功能模块的功能可根据上述方法实施例中的方法具体实现，其具体实现过程可以参照上述方法实施例的相关描述，此处不再赘述。

由上可知，本发明实施例解决了TDLAS动态光波动校正技术对激光器的谐波调制与CEAS腔增强检测技术中腔共振条件相互影响的问题，在保证检测精度，还有效提升气体浓度检测系统的易用性。

可选的，激光信号驱动装置62可包括激光器驱动单元、直流信号发生单元、调制信号发生单元和信号叠加单元；激光器驱动单元与气体浓度检测装置61相连，并通过信号传输线分别和直流信号发生单元和调制信号发生单元相连；信号叠加单元用于将直流信号发生单元和调制信号发生单元输出的信号进行叠加后向激光光源63输出激光调制信号。激光信号驱动装置62还可用于在周期性阶梯分段驱动信号的各阶梯波形信号的第一电压稳压段和第二电压稳压段时对激光光源进行正弦波叠加三角波的谐波调制。

作为一种示例，若检测光信号和校正光信号使用同一激光源，不仅可以大大降低仪器设备的复杂性，降低成本；而且光波动信息提取装置为一个独立的监测系统，可实时校正激光光源的光波动，能有效地提高气体检测的精度，更大程度上去除激光光源的光波动的影响。光波动信息提取装置及气体浓度测量装置相互独立，还有利于增强了气体检测系统的易用性。基于此，所述气体浓度检测系统还可包括光学分束器；光学分束器用于将所述激光光源出射的激光信号分为第一束光信号和第二束光信号，并分别出射至光波动信息提取装置64和气体浓度测量装置65中。光学分束器可为任何一种实现将一束激光信息分为两束激光信号的光学分束器件，例如若激光光源输出光纤信号，如DFB(DistributedFeedback Laser，分布式反馈激光器)，则光学分束器可为光纤分束器。

作为一种可选的实施方式，光波动信息提取装置64可包括标准气体吸收池、第一光电探测器和锁相放大电路，以实现利用TDLAS检测技术对激光光源的二次谐波信号提取处理，从而获得激光光源的光波动信息。

其中，标准气体吸收池可由两块平行透镜组成，里面充入已知浓度的标准气体。第一光电探测器用于采集第一束光信号通过标准气体吸收池后的第一光信号并将其转化为相应的电信号发送至锁相放大电路中进行处理；在标准气体吸收池和第一光电探测器之间还可设置透镜，该透镜可将第一光信号聚焦至第一光电探测器的光敏面上。锁相放大电路可用于提取第一光信号的二次谐波信号，根据二次谐波信号计算标准气体的实际浓度，通过对比分析实际浓度和已知浓度得到激光光源的光波动数据，并将光波动数据发送至气体浓度检测装置61。具体来说，第一光信号进入标准气体吸收池，标准气体吸收池内待测气体浓度已知，吸收光程固定。激光信号经腔内气体吸收后由第一光电探测器采集处理，利用锁相放大器提取二次谐波信号得到激光光源有光波动和无光波动时的输出数据，通过分析激光光源无波动时的数据和光源有波动时的数据差异情况，建立光源光波动的数据模型，实现可调谐半导体激光吸收光谱技术动态校正光源的光波动。

作为示例，气体浓度测量装置65可包括光学谐振腔、PZT压电陶瓷、PZT压电陶瓷驱动单元、第二光电探测器和浓度计算模块，以实现利用CEAS腔增强技术对光学谐振腔内的待测气体进行浓度检测。

可以理解的是，待测气体充入光学谐振腔内，第二束光信号被耦合至光学谐振腔内后，在腔内来回多次反射，利用有限空间增加光线穿过待测气体的光程。PZT压电陶瓷在PZT压电陶瓷驱动单元的驱动下周期性调节光学谐振腔的腔长，以使第二束光信号的波长与光学谐振腔的腔长满足将第二束光信号耦合至腔内的共振条件；激光与光学谐振腔达到共振时，透过腔的功率得到极大增强，通过促进激光TEM00模(基模)与光学谐振腔共振实现模式匹配，同时抑制高阶横模，能够获得最大激光透过功率。第二束光信号在光学谐振腔内被待测气体选择吸收后，利用第二光电探测器采集第二束光信号穿过光学谐振腔后出射的投射光强度信息，并将其转化为相应的电信号发送至浓度计算模块中进行处理。浓度计算模块可用于根据光强度信息和激光光源的工作波长计算得到待测气体的气体浓度，并将气体浓度发送至气体浓度检测装置61中。在该实施例中，PZT压电陶瓷驱动单元输出的驱动信号为周期性阶梯分段驱动信号，该驱动信号由多个相同的阶梯波形信号组成，每个阶梯波形信号依次包括第一电压稳压段、电压上升段、第二电压稳压段和电压下降段。且激光信号驱动装置在各阶梯波形信号的第一电压稳压段和第二电压稳压段时输出激光调制信号。

可选的，光学谐振腔可为包括由第一平凹透镜和第二平凹透镜组成的腔镜；第一平凹透镜和第二平凹透镜的凹面曲率半径为1.5m，反射率不低于0.997；光学谐振腔的腔长为33.5cm。当然，光学谐振腔的光学参数也可为其他数值，本申请对此不作任何限定。可以理解的是，腔镜具有很高的反射率，会使大部分激光信号沿原路返回，而半导体激光光源对这种光学反馈是很敏感的，会使得半导体激光器出现频率漂移、输出强度变化等不稳定现象，为了解决这个问题，可设置光学器件抑制光学反馈对激光光源的影响，以确保整个系统正常工作。基于此，若系统中设置光学分束器，气体浓度测量装置65还可包括光隔离器；光隔离器设置在光学分束器和光学谐振腔之间，用于抑制光学谐振腔的光学反馈；若系统中没有设置光学分束器，则光隔离器设置在激光光源和光学谐振腔之间。

作为一种示例，光隔离器可包括第一偏振器、法拉第旋转器和第二偏振器；法拉第旋转器设置于第一偏振器和第二偏振器之间，且第一偏振器和第二偏振器的透光方向呈45°。当第二束光信号经过第一偏振器时，变为线偏振光，然后经过法拉第旋转器，其偏振面被旋转45°，刚好和第二偏振器的偏振方向一致，使得第二束光信号可通过。反过来，腔镜反射光首先进入第二偏振器，变为与第一偏振器的偏振方向为45°的线偏振，在经法拉第旋转器时，由于法拉第旋转器效应的非互易性，被法拉第旋转球继续旋转45°，其偏振夹角为90°，与第一偏振器的偏振方向正交，无法通过。

作为示例，若系统中设置光学分束器，则气体浓度测量装置65还可包括设置在光隔离器和光学分束器之间的准直器；若系统中没有设置光学分束器，则气体浓度测量装置65还可包括设置在光隔离器和激光光源之间的准直器；准直器用于将第二束光信号准直至光电隔离器内。当然，若激光光源输出的是光纤信号，如DFB激光器，则准直器可为光纤准直器。还需要说明的是，对于DFB型半导体激光器来说，在激光耦合至光学谐振腔之前，还需要经过光纤准直器的聚焦，这就不能按照一般方式确定激光束腰位置和大小，可将光纤准直器的端面位置和大小认为是激光的束腰位置和大小，通过选择合适的匹配透镜，使得经过光纤准直器的第二束光信号经过匹配透镜和前腔镜后聚焦在光学谐振腔的束腰位置。

本发明实施例还提供了一种气体浓度检测设备，具体可包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行计算机程序以实现如上任意一实施例所述气体浓度检测方法的步骤。

本发明实施例所述气体浓度检测设备的各功能模块的功能可根据上述方法实施例中的方法具体实现，其具体实现过程可以参照上述方法实施例的相关描述，此处不再赘述。

由上可知，本发明实施例解决了TDLAS动态光波动校正技术对激光器的谐波调制与CEAS腔增强检测技术中腔共振条件相互影响的问题，在保证检测精度，还有效提升气体浓度检测系统的易用性。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，存储有气体浓度检测程序，所述气体浓度检测程序被处理器执行时如上任意一实施例所述气体浓度检测方法的步骤。

本发明实施例所述计算机可读存储介质的各功能模块的功能可根据上述方法实施例中的方法具体实现，其具体实现过程可以参照上述方法实施例的相关描述，此处不再赘述。

由上可知，本发明实施例解决了TDLAS动态光波动校正技术对激光器的谐波调制与CEAS腔增强检测技术中腔共振条件相互影响的问题，在保证检测精度，还有效提升气体浓度检测系统的易用性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的一种气体浓度检测方法、装置及系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种气体浓度检测方法，其特征在于，应用于包括利用CEAS技术计算气体浓度的气体浓度测量装置和利用TDLAS技术动态校正激光光源光波动的光波动信息提取装置的气体浓度检测系统，包括：

同步控制激光信号驱动装置输出激光调制信号和所述气体浓度测量装置的PZT压电陶瓷驱动单元输出周期性阶梯分段驱动信号；

获取所述光波动信息提取装置计算的光波动数据和所述气体浓度测量装置计算的待测气体浓度数据；

拟合处理待测气体浓度数据和所述光波动数据得到去除光波动干扰的气体浓度；

其中，所述周期性阶梯分段驱动信号由多个相同的阶梯波形信号组成，各阶梯波形信号依次包括第一电压稳压段、电压上升段、第二电压稳压段和电压下降段，所述电压上升段和所述电压下降段用于驱动PZT压电陶瓷周期性改变光学谐振腔的腔长；所述激光调制信号为在各阶梯波形信号的第一电压稳压段和第二电压稳压段时被输出。

2.根据权利要求1所述的气体浓度检测方法，其特征在于，所述激光调制信号用于对激光光源进行正弦波叠加三角波的谐波调制，以使所述激光光源输出波长扫过待测气体吸收的中心波长。

3.一种气体浓度检测装置，其特征在于，应用于包括利用CEAS技术测量气体浓度信息的气体浓度测量装置和利用TDLAS技术动态校正激光光源光波动的光波动信息提取装置的气体浓度检测系统，包括：

信号同步控制模块，用于同步控制激光信号驱动装置输出激光调制信号和所述气体浓度测量装置的PZT压电陶瓷驱动单元输出周期性阶梯分段驱动信号；所述周期性阶梯分段驱动信号由多个相同的阶梯波形信号组成，各阶梯波形信号依次包括第一电压稳压段、电压上升段、第二电压稳压段和电压下降段，所述电压上升段和所述电压下降段用于驱动PZT压电陶瓷周期性改变光学谐振腔的腔长；所述激光调制信号为在各阶梯波形信号的第一电压稳压段和第二电压稳压段时被输出；

信息获取模块，用于获取所述光波动信息提取装置计算的光波动数据和所述气体浓度测量装置计算的待测气体浓度数据；

气体浓度计算模块，用于拟合处理待测气体浓度数据和所述光波动数据得到去除光波动干扰的气体浓度。

4.一种气体浓度检测系统，其特征在于，包括如权利要求1或2所述气体浓度检测装置、激光信号驱动装置、激光光源、光波动信息提取装置及气体浓度测量装置；

其中，所述激光信号驱动装置用于输出激光调制信号调制所述激光光源的输出波长；

所述光波动信息提取装置用于利用TDLAS技术动态校正激光光源光波动，提取所述激光光源的光波动数据；

所述气体浓度测量装置用于利用CEAS技术计算待测气体的气体浓度。

5.根据权利要求4所述的气体浓度检测系统，其特征在于，还包括光学分束器；

所述光学分束器用于将所述激光光源出射的激光信号分为第一束光信号和第二束光信号，并分别出射至所述光波动信息提取装置和所述气体浓度测量装置。

6.根据权利要求5所述的气体浓度检测系统，其特征在于，所述激光信号驱动装置包括激光器驱动单元、直流信号发生单元、调制信号发生单元和信号叠加单元；

所述激光器驱动单元与所述气体浓度检测装置相连，并通过信号传输线分别和所述直流信号发生单元和所述调制信号发生单元相连；所述信号叠加单元用于将所述直流信号发生单元和所述调制信号发生单元输出的信号进行叠加后输出至所述激光光源。

7.根据权利要求4-6任意一项所述的气体浓度检测系统，其特征在于，所述激光信号驱动装置用于在周期性阶梯分段驱动信号的各阶梯波形信号的第一电压稳压段和第二电压稳压段时对所述激光光源进行正弦波叠加三角波的谐波调制。

8.根据权利要求4-6任意一项所述的气体浓度检测系统，其特征在于，所述光波动信息提取装置包括已知浓度的标准气体吸收池、第一光电探测器和锁相放大电路；

所述第一光电探测器用于采集第一束光信号通过所述标准气体吸收池后的第一光信号；

所述锁相放大电路用于提取所述第一光信号的二次谐波信号，根据所述二次谐波信号计算标准气体的实际浓度，通过对比分析所述实际浓度和所述已知浓度得到所述激光光源的光波动数据，并将所述光波动数据发送至所述气体浓度检测装置。

9.根据权利要求4-6任意一项所述的气体浓度检测系统，其特征在于，所述气体浓度测量装置包括用于充入所述待测气体的光学谐振腔、PZT压电陶瓷、PZT压电陶瓷驱动单元、第二光电探测器和浓度计算模块；

所述PZT压电陶瓷在所述PZT压电陶瓷驱动单元的驱动下调节所述光学谐振腔的腔长，以使第二束光信号的波长与所述光学谐振腔的腔长满足将所述第二束光信号耦合至腔内的共振条件；所述第二光电探测器用于采集所述第二束光信号穿过所述光学谐振腔后出射的光强度信息；所述浓度计算模块用于根据所述光强度信息和所述激光光源的工作波长计算得到所述待测气体的气体浓度，并将所述气体浓度发送至所述气体浓度检测装置。

10.根据权利要求9所述的气体浓度检测系统，其特征在于，所述气体浓度测量装置还包括光隔离器；

所述光隔离器设置在所述激光光源和所述光学谐振腔之间，用于抑制所述光学谐振腔的光学反馈。