CN203758911U

CN203758911U - 宽动态范围激光气体分析仪

Info

Publication number: CN203758911U
Application number: CN201320841817.2U
Authority: CN
Inventors: 汪献忠; 李建国; 赫树开
Original assignee: Henan Relations Co Ltd
Current assignee: Henan Relations Co Ltd
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2023-12-18

Abstract

宽动态范围激光气体分析仪，包括微控制器、半导体激光器和气体光学吸收池，微控制器的信号输出端通过电缆与半导体激光器的信号输入端连接，气体光学吸收池内部具有长方体形状的空腔，气体光学吸收池的两端分别设有伸入到空腔内的光学准直系统和光电探测器，气体光学吸收池的一侧的两端分别设有进气孔和出气孔，半导体激光器的激光发射端通过光纤及法兰与光学准直系统的接收端连接，光电探测器的信号输出端通过光电信号线与微控制器的信号接收端连接。本实用新型设计合理、结构简单，可以根据气体浓度，在高浓度时自动选择较弱吸收系数的吸收峰，能够保证较大的测量范围；在低浓度时自动选择较弱吸收系数的吸收峰，能够保证较高的灵敏度。

Description

宽动态范围激光气体分析仪

技术领域

本实用新型涉及一种激光气体分析仪，尤其涉及一种宽动态范围激光气体分析仪。

背景技术

随着我国工业控制、钢铁冶金、石油化工、环境保护、生化制药、电力、航空航天等行业的发展，需要进一步加强对这些领域的生产过程进行监测控制。这就对生产过程中使用过程分析仪的检测精度、响应时间、系统稳定性等指标提出了更高的要求。气相物质浓度的在线分析被广泛的应用于这些行业的生产过程监测、生产工艺优化、降污分析、能源气回收控制、环保监测等方面，是提高对生产过程的分析能力的重要方面。

TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）是可调谐二极管激光吸收光谱技术的简称，通常又称为可调谐半导体激光吸收光谱技术。与传统不分光红外技术光谱技术相比，TDLAS技术具有很多显著优点：

（1）利用半导体激光良好的单色性，采用“单线光谱”技术避免背景气体吸收干扰；

（2）利用半导体激光波长可调谐性解决粉尘、视窗污染对测量的影响；

（3）无需采样预处理，响应速度快，便于对生产过程进行控制；

（4）仪器内部测量过程中定时自动标定，无需手动标定；

（5）可自动修正环境温度、压力变化对测量的影响；

因此，基于TDLAS技术的激光气体浓度分析仪能够较好地满足气体光谱分析和气体浓度分析的迫切需要。

激光气体分析仪是一种基于光谱气体分析技术的新型仪表，常用于化工、环保、工业、等领域。

激光气体分析仪基于光谱分析原理，根据被测气体对不同激光光源表现出不同吸收能力的特性，选择合适的激光光源。根据激光通过被测气体后衰减的程度，推算被测气体的浓度。被测气体对激光的吸收符合朗伯-比尔（Beer-Lambert）定律：

当半导体激光器发射出特定波长的激光束穿过被测气体时，被测气体对激光束进行选择性吸收导致光强衰减，光强的衰减程度与被测气体浓度成指数关系，因此，通过测量光强的衰减量就可以得到被测气体的浓度。

半导体激光器的中心波长虽然在出厂时已经确定，但是会随温度与驱动电流的变化进行微调。环境温度每变化1℃，激光器的中心波长会改变0.1nm；驱动电流每变化1ma，激光器的中心波长会变化0.01nm。而被测气体的光谱吸收宽度约为0.2nm左右，配合温度调节与电流调节对被测气体多个吸收峰进行光谱分析，是可以实现的。

激光气体分析仪根据所选激光器中心波长的不同表现出不同检出范围与灵敏度：中心波段波长吸收越强，被测气体的检出下限越低，仪表越灵敏，但测量范围越小，在被测气体浓度过高时，由于激光完全被吸收将不能进行测量；激光中心波段波长吸收越弱，仪表测量范围越宽，但在被测气体浓度过低时，由于气体对激光的吸收强度较弱，仪表的灵敏度会变的很差。

目前没有合适的装置和方法，使仪表在被测气体浓度较低时表现良好的灵敏度，同时又能够测量较高浓度气体。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有技术中的不足之处，提供一种测试浓度低的气体表现高灵敏度、同时又能测高浓度气体的宽动态范围激光气体分析仪。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：宽动态范围激光气体分析仪，包括微控制器、半导体激光器和气体光学吸收池，微控制器的信号输出端通过电缆与半导体激光器的信号输入端连接，气体光学吸收池内部具有长方体形状的空腔，气体光学吸收池的两端分别设有伸入到空腔内的光学准直系统和光电探测器，气体光学吸收池的的一侧的两端分别设有进气孔和出气孔，半导体激光器的激光发射端通过光纤及法兰与光学准直系统的接收端连接，光电探测器的信号输出端通过光电信号线与微控制器的信号接收端连接。

所述微控制器主要由电流调理电路、激光温度控制电路，激光驱动电路、信号调理电路组成。

采用上述技术方案，本实用新型内置一个中心波长合适的半导体激光器，内置一个微控制器。微控制器动态调整半导体激光器的温度，控制激光器的中心波长，根据被测气体对激光的吸收强度，选择合适的吸收峰。在气体浓度较低，对激光吸收能力较弱时，控制半导体激光器温度，选择吸收系数较强的吸收峰，调整半导体激光器驱动电流，针对吸收较强吸收峰进行光谱分析；在气体浓度较高，对激光吸收能力较强时，控制半导体激光器温度，选择吸收吸收较弱的吸收峰，调整半导体激光器驱动电流，针对吸收较弱吸收峰进行光谱分析。

本实用新型的微控制器通过输出一个模拟电压信号控制激光器温度控制电路，微控制器通过输出一个模拟电压信号控制激光驱动电路。温度控制电路，可以由专用温度控制芯片组成，如凌特TEC温度控制芯片LTC1923；半导体激光器受微控制器输出信号改变温度与驱动电流，继而改变输出激光的中心波长。

半导体激光器，可以是DFB（窄带宽可调谐激光器）激光器，受电流信号驱动后发出中心波长可调的窄带光源，光源最终耦合进入光纤。

本实用新型内置气体光学吸收池，气体光学吸收的进气孔可通入被测气体，测试后通过出气孔排出。光学准直系统将入射的发散的光束变成平行的光束出射，通过法兰与光纤连接。光电探测器用于检测激光被气体吸收后的强度；光电探测器为光电转换传感器，包括但不限于姻镓砷(ingaas) 、磷化镓(GaP)，硅(Si)和锗(Ge)光电二极管。光电探测器输出信号经过调理后连接至微控制器。

微控制器通过控制激光电流驱动电路，驱动激光器发出激光。激光经过光纤到气体光学吸收池后，光线先经过光学准直系统的校直，再经过被测气体吸收后被光电探测器接收。微控制器通过分析光电探测器接收的信号预估气体的浓度，根据预估浓度选择合适的吸收峰。通过动态调整激光器驱动电流，小范围扫描气体吸收峰。

在气体浓度发生大范围改变，微控制器通过改变驱动电流无法完成完整吸收峰扫描的情况下。通过激光温度控制电路设置激光器温度，再次改变激光器的中心波长，调整至合适的吸收峰。

本发明设计合理、结构简单，易于操作，根据气体浓度，在高浓度时自动选择较弱吸收系数的吸收峰，能够保证较大的测量范围；在低浓度时自动选择较弱吸收系数的吸收峰，能够保证较高的灵敏度。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的宽动态范围激光气体分析仪，包括微控制器1、半导体激光器2和气体光学吸收池3，微控制器1的信号输出端通过电缆4与半导体激光器2的信号输入端连接，气体光学吸收池3内部具有长方体形状的空腔5，气体光学吸收池3的两端分别设有伸入到空腔5内的光学准直系统6和光电探测器7，气体光学吸收池3的的一侧的两端分别设有进气孔8和出气孔9，半导体激光器2的激光发射端通过光纤10及法兰与光学准直系统6的接收端连接，光电探测器7的信号输出端通过光电信号线11与微控制器1的信号接收端连接。

微控制器1主要由电流调理电路、激光温度控制电路，激光驱动电路、信号调理电路组成。

本实用新型内置一个中心波长合适的半导体激光器2，内置一个微控制器1。微控制器1动态调整半导体激光器2的温度，控制半导体激光器2的中心波长，根据被测气体对激光的吸收强度，选择合适的吸收峰。在气体浓度较低，对激光吸收能力较弱时，控制半导体激光器2温度，选择吸收系数较强的吸收峰，调整半导体激光器2驱动电流，针对吸收较强吸收峰进行光谱分析；在气体浓度较高，对激光吸收能力较强时，控制半导体激光器2温度，选择吸收吸收较弱的吸收峰，调整半导体激光器2驱动电流，针对吸收较弱吸收峰进行光谱分析。

本实用新型的微控制器1通过输出一个模拟电压信号控制激光器温度控制电路，微控制器1通过输出一个模拟电压信号控制激光驱动电路。温度控制电路，可以由专用温度控制芯片组成，如凌特TEC温度控制芯片LTC1923；半导体激光器2受微控制器1输出信号改变温度与驱动电流，继而改变输出激光的中心波长。

半导体激光器2，可以是DFB（窄带宽可调谐激光器）激光器，受电流信号驱动后发出中心波长可调的窄带光源，光源最终耦合进入光纤10。

本实用新型内置气体光学吸收池3，气体光学吸收的进气孔8可通入被测气体，测试后通过出气孔9排出。光学准直系统6将入射的发散的光束变成平行的光束出射，通过法兰与光纤10连接。光电探测器7用于检测激光被气体吸收后的强度；光电探测器7为光电转换传感器，包括但不限于姻镓砷(ingaas) 、磷化镓(GaP)，硅(Si)和锗(Ge)光电二极管。光电探测器7输出信号经过调理后连接至微控制器1。

本实用新型在工作使用时，微控制器1通过控制激光电流驱动电路，驱动激光器发出激光。激光经过光纤10到气体光学吸收池3后，光线先经过光学准直系统6的校直，再经过被测气体吸收后被光电探测器7接收。微控制器1通过分析光电探测器7接收的信号预估气体的浓度，根据预估浓度选择合适的吸收峰。通过动态调整激光器驱动电流，小范围扫描气体吸收峰。

在气体浓度发生大范围改变，微控制器1通过改变驱动电流无法完成完整吸收峰扫描的情况下。通过激光温度控制电路设置激光器温度，再次改变激光器的中心波长，调整至合适的吸收峰。、

在本实施例中，微控制器1由亚德诺半导体公司的ADUC7060构成。温度控制芯片由凌特公司的LTC1923构成，完成激光器温度控制。半导体激光器2使用DFB激光器，还可以是QCL、VCSEL等激光器。气体光学吸收池3与半导体激光器2之间使用光纤10及法兰进行连接；光电探测器7使用姻镓砷（INGAAS）传感器进行光电信号的转换，还可以使用其他可将光信号转换为电信号的光电传感器。光学准直系统6采用型号为TC7-1的光学准直仪。

微控制器1完成的功能，可以由单片机、ARM、MIPS、FPGA（Field－Programmable Gate Array）、ASIC（Application-specific integrated circuit）、CPLD（Complex Programmable Logic Device）实现，但不限于此，还应包括将来有可能出现完成逻辑控制功能的器件。微控制器1通过温度控制方法，完成对激光器中心波长的选择，但不限于此。还应该包含其他通过电路调整激光器中心波长的方法。

本实施例并非对本实用新型的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims

1.宽动态范围激光气体分析仪，其特征在于：包括微控制器、半导体激光器和气体光学吸收池，微控制器的信号输出端通过电缆与半导体激光器的信号输入端连接，气体光学吸收池内部具有长方体形状的空腔，气体光学吸收池的两端分别设有伸入到空腔内的光学准直系统和光电探测器，气体光学吸收池的的一侧的两端分别设有进气孔和出气孔，半导体激光器的激光发射端通过光纤及法兰与光学准直系统的接收端连接，光电探测器的信号输出端通过光电信号线与微控制器的信号接收端连接。

2.根据权利要求1所述的宽动态范围激光气体分析仪，其特征在于：所述微控制器主要由电流调理电路、激光温度控制电路，激光驱动电路、信号调理电路组成。