CN110470623B - 气体浓度检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种气体浓度检测系统，包括主控制器、激光信号产生装置、信号分离器、光波动信息提取装置及气体浓度检测装置。主控制器控制激光信息产生装置出射预设波长的激光信号，并通过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；信号分离器将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和气体浓度检测装置；光波动信息提取装置利用第一束光信号提取激光光源的光波动信息；气体浓度检测装置利用第二束光信号测量待测气体的气体浓度。本申请提供的技术方案有效地提高了气体浓度的检测精度，有利于增强气体检测系统的易用性。

Description

气体浓度检测系统

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系统，提高了气体浓度的检测精度，增强了气体检测系统的易用性。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

本发明实施例提供了一种气体浓度检测系统，包括主控制器、激光信号产生装置、信号分离器、光波动信息提取装置及气体浓度检测装置；

所述主控制器用于控制所述激光信息产生装置出射预设波长的激光信号，并通过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；

所述信号分离器用于将所述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检测装置；

所述光波动信息提取装置用于利用所述第一束光信号提取激光光源的光波动信息；

所述气体浓度检测装置用于利用所述第二束光信号测量所述待测气体的气体浓度。

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所述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主控制器。

可选的，所述激光信号产生装置包括调制信息发生单元、温度控制单元和激光光源；

所述调制信息发生单元和所述温度控制单元分别所述主控制器相连，以在所述主控制器控制下输出驱动信号；所述激光光源用于在所述驱动信号驱动下输出预设波长激光信号。

可选的，所述激光光源为分布式反馈激光器，所述主控制器为ARM主控器。

可选的，所述信号分离器为光学分束器。

可选的，所述气体浓度检测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，以使所述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主控制器。

可选的，所述光学谐振腔为包括由第一平凹透镜和第二平凹透镜组成的腔镜；

所述第一平凹透镜和所述第二平凹透镜的凹面曲率半径为1.5m，反射率不低于0.997；所述光学谐振腔的腔长为33.5cm。

可选的，所述气体浓度检测装置还包括光隔离器；

所述光隔离器设置在所述信号分离器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。

可选的，所述光隔离器包括第一偏振器、法拉第旋转器和第二偏振器；

所述法拉第旋转器设置于所述第一偏振器和所述第二偏振器之间，且所述第一偏振器和所述第二偏振器的透光方向呈45°。

可选的，所述气体浓度检测装置还包括设置在所述光隔离器和所述信号分离器之间的准直器；

所述准直器用于将所述第二束光信号准直至所述光电隔离器内。

本申请提供的技术方案的优点在于，利用气体浓度检测装置测量待测气体的浓度信息，并结合光波动信息提取装置获得的光源光波动信息，可以有效地抠除气体浓度受激光的光波动干扰因素，解决了相关技术中的CEAS气体检测系统中激光光源的光波动影响检测结果的问题，有效地提高了气体浓度的检测精度；由于检测光信号和校正光信号使用同一激光源，可以大大降低仪器设备的复杂性，降低成本；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检测装置相互独立，增强了气体检测系统的易用性。

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气体浓度检测系统的一种具体实施方式结构图；

图2为本发明实施例提供的TDLAS动态光波校正方法原理示意图；

图3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、、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气体浓度检测系统在一种具体实施方式下的结构框架示意图，本发明实施例可包括以下内容：

气体浓度检测系统可包括主控制器1、激光信号产生装置2、信号分离器3、光波动信息提取装置4及气体浓度检测装置5。

其中，主控制器1可用于控制激光信息产生装置2出射预设波长的激光信号，并通过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。待测气体浓度数据为气体浓度检测装置5测量得到的数据，光波动数据可为光波动信息提取装置4提取激光光源的波动数据。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主控制器执行主控制器1的功能，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。

可以理解的是，激光信号产生装置2用于输出特定波长的激光光信号，包含用于输出激光驱动信号的硬件电路和激光光源，激光光源在激光驱动信号的驱动下出射激光光信号，输出的激光光信号通过信号分离器3之后，被分为两束光信号，并分别出射至光波动信息提取装置4和气体浓度检测装置5。为了便于清楚、无歧义地描述后续技术方案，可将激光信号分为的两束光信息称为第一束光信号和第二束光信号。信号分离器3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，则信号分离器3可为光纤分束器。

在本申请中，光波动信息提取装置4可用于利用第一束光信号提取激光光源的光波动信息；可采用任何一种可提取激光光源的光波动信息的技术，相应的，光波动信息提取装置4中包含可执行相应技术方法的软硬件，本申请对此不作任何限定。

在本申请中，气体浓度检测装置5可用于利用第二束光信号测量待测气体的气体浓度。可采用任何一种可利用基于光谱学的技术根据第二束光信息穿过待测气体后的光信息或反射光信息得到相应待测气体的气体浓度，例如CEAS技术或TDLAS技术(TunableDiode Laser Absorption Spectroscopy，可调谐半导体激光吸收光谱)，相应的，气体浓度检测装置5中包含可执行相应技术方法的软硬件，本申请对此不作任何限定。

在本发明实施例提供的技术方案中，利用气体浓度检测装置测量待测气体的浓度信息，并结合光波动信息提取装置获得的光源光波动信息，可以有效地抠除气体浓度受激光的光波动干扰因素，解决了相关技术中的CEAS气体检测系统中激光光源的光波动影响检测结果的问题，有效地提高了气体浓度的检测精度；由于检测光信号和校正光信号使用同一激光源，可以大大降低仪器设备的复杂性，降低成本；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检测装置相互独立，增强了气体检测系统的易用性。

可选的，请参阅图2所示，激光信号产生装置2可包括调制信息发生单元21、温度控制单元22和激光光源23。主控制器1通过信号传输线分别与调制信息发生单元21和温度控制单元22相连，输出信号叠加为驱动信号发送至激光光源23，激光光源23在该驱动信号驱动下输出预设波长激光信号能够扫过待测气体的吸收峰。可选的，激光光源可为DFB激光器(Distributed Feedback Laser，分布式反馈激光器)，当然，也可为其他一种激光器光源，这均不影响本申请的实现。

作为一种可选的实施方式，请参阅图2及图3，光波动信息提取装置4可利用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。相应的，光波动信息提取装置4可包括标准气体吸收池41、第一光电探测器42和锁相放大电路43，其中，锁相放大电路43或也可称为锁相放大器。

其中，标准气体吸收池41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42用于采集第一束光信号通过标准气体吸收池42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43中进行处理；在标准气体吸收池41和第一光电探测器42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42的光敏面上。锁相放大电路43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主控制器。具体来说，第一光信号进入标准气体吸收池41，标准气体吸收池41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42采集处理，利用锁相放大器43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，气体浓度检测装置5可利用CEAS腔增强技术对光学谐振腔内的待测气体进行浓度检测。相应的，气体浓度检测装置5可包括光学谐振腔51、PZT压电陶瓷52、PZT压电陶瓷驱动单元53、第二光电探测器54和浓度计算模块55。

可以理解的是，待测气体充入光学谐振腔51内，第二束光信号被耦合至光学谐振腔51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52在PZT压电陶瓷驱动单元53的驱动下周期性调节光学谐振腔51的腔长，以使第二束光信号的波长与光学谐振腔51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51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51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，模式匹配必须满足两个条件，一为透过第一面高反镜时，高斯光束的波前必须与高反镜的曲率重合；另一为在光学谐振腔51内，高斯光束束腰的位置必须与谐振腔束腰位置相同，大小相等。如图2所示，第二束光信号在光学谐振腔51内被待测气体选择吸收后，利用第二光电探测器52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55中进行处理。浓度计算模块55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主控制器1中。

由上可知，本发明实施例的TDLAS校正光源光波动技术中的输入信号与CEAS腔增强检测技术的输入信号是相互独立的，采用两个独立的光电探测器分别采集处理相应信号，因此这两个体系是互不干扰的，TDLAS技术校正激光器的光波动体系是一个独立的监测系统，可实时校正激光器的光波动。能有效的提高气体检测的精度，更大程度上去除激光器的光波动的影响。

可选的，光学谐振腔51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51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，气体浓度检测装置5还可包括光隔离器；光隔离器设置在信号分离器和光学谐振腔之间，用于抑制光学谐振腔的光学反馈。

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，气体浓度检测装置5还可包括设置在光隔离器和信号分离器之间的准直器；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。

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技术方案及其核心思想。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 (8)

1.一种气体浓度检测系统，其特征在于，包括主控制器、激光信号产生装置、信号分离器、光波动信息提取装置及气体浓度检测装置；

所述主控制器用于控制所述激光信号产生装置出射预设波长的激光信号，并通过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；

所述信号分离器用于将所述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检测装置；

所述光波动信息提取装置用于利用所述第一束光信号提取激光光源的光波动信息；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所述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主控制器；

所述气体浓度检测装置用于利用所述第二束光信号测量待测气体的气体浓度；所述气体浓度检测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，以使所述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主控制器。

2.根据权利要求1所述的气体浓度检测系统，其特征在于，所述激光信号产生装置包括调制信息发生单元、温度控制单元和激光光源；

所述调制信息发生单元和所述温度控制单元分别与所述主控制器相连，以在所述主控制器控制下输出驱动信号；所述激光光源用于在所述驱动信号驱动下输出预设波长激光信号。

3.根据权利要求2所述的气体浓度检测系统，其特征在于，所述激光光源为分布式反馈激光器，所述主控制器为ARM主控器。

4.根据权利要求3所述的气体浓度检测系统，其特征在于，所述信号分离器为光学分束器。

5.根据权利要求1所述的气体浓度检测系统，其特征在于，所述光学谐振腔为包括由第一平凹透镜和第二平凹透镜组成的腔镜；

所述第一平凹透镜和所述第二平凹透镜的凹面曲率半径为1.5m，反射率不低于0.997；所述光学谐振腔的腔长为33.5cm。

6.根据权利要求5所述的气体浓度检测系统，其特征在于，所述气体浓度检测装置还包括光隔离器；

所述光隔离器设置在所述信号分离器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。

7.根据权利要求6所述的气体浓度检测系统，其特征在于，所述光隔离器包括第一偏振器、法拉第旋转器和第二偏振器；

所述法拉第旋转器设置于所述第一偏振器和所述第二偏振器之间，且所述第一偏振器和所述第二偏振器的透光方向呈45°。

8.根据权利要求7所述的气体浓度检测系统，其特征在于，所述气体浓度检测装置还包括设置在所述光隔离器和所述信号分离器之间的准直器；

所述准直器用于将所述第二束光信号准直至所述光隔离器内。

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