CN210071661U - 一种激光气体分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光气体分析仪，属于激光测量领域。该激光气体分析仪包括激光器、分光单元、待测气室、标准气室、第一光电探测器、第二光电探测器和控制模块；激光器通过分光单元分出至少第一光路和第二光路，第一光路通过待测气室连接第一光电探测器，第二光路通过标准气室连接第二光电探测器；控制模块的输入端连接各光电探测器；控制模块的输出端连接激光器。标准气室、第一光路和第一光电探测器用于实现目标气体的光吸收频率的标定；待测气室、第二光路和第二光电探测器用于根据光吸收频率的标定结果分离出光路噪声，以该信号作为零点背景对激光气体分析仪进行零点校准，为实现去除光路噪声提供了硬件结构的基础。

Description

一种激光气体分析仪

技术领域

本实用新型涉及一种激光气体分析仪，属于激光测量领域。

背景技术

在使用激光器对气体进行浓度等分析时，除了激光器和气室等产生的噪声外，还会存在复杂环境如温湿度变化等情况，激光从出射到与气室内气体接触带来的光路噪声，基于此需要对光路噪声进行归零校准，首先通过对标准目标气体进行检测，确定标准目标气体的光吸收频率，然后，在实际测量待测的目标气体的浓度之前使激光器产生的光频率扫过无目标气体光吸收频率的位置，得到去除后的测量结果，根据去除后的测量结果对实际测量结果进行校准，从而在实际测量时实现对光路噪声的去除。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种激光气体分析仪，为解决光路噪声的去除而提出一种硬件结构，该激光气体分析仪包括激光器、分光单元、待测气室、标准气室、第一光电探测器、第二光电探测器和控制模块；激光器通过分光单元分出至少第一光路和第二光路，第一光路通过待测气室连接第一光电探测器，第二光路通过标准气室连接第二光电探测器；控制模块的输入端连接各光电探测器，用于获取光电转换信号；控制模块的输出端连接激光器，用于控制激光器频率。

有益效果是，标准气室、第一光路和第一光电探测器用于实现目标气体的光吸收频率的标定；待测气室、第二光路和第二光电探测器用于根据光吸收频率的标定结果分离出光路噪声，以该信号作为零点背景对激光气体分析仪进行零点校准，为实现去除光路噪声提供了硬件结构的基础，通过激光气体分析仪，即使遇到复杂环境，比如说外界温度或者湿度变化时，也会得到准确的气体分析结果，同时还对光频率是否位于目标气体的光频率位置进行了明确判断。

进一步的，激光气体分析仪还包括第三光电探测器，激光器通过分光单元还分出第三光路，第三光路直接连接第三光电探测器，第三光电探测器的输出端连接控制模块。

当激光器产生的光频率覆盖目标气体吸收频率和目标气体不吸收频率的位置时，通过第二光电探测器所接受的的信号与第三光电探测器所接收的信号的差更精确的得到目标气体的光吸收频率，而且第三光电探测器所接收的信号还可以优化第一光电探测器所接收的信号，当激光器产生的光频率扫过无待测气室的目标气体光吸收频率的位置时，通过优化后的第一光电探测器所接收的信号可以得到更加精确的零点背景。

进一步的，控制模块包括交直流分离电路和处理器，交直流分离电路的信号输入端连接各光电探测器，交直流分离电路的信号输出端连接处理器，处理器的输出端连接激光器。

交直流分离电路将各光电探测器接收的信号分离为对应的交流信号和直流信号，处理器对分离出的各交流信号与直流信号进行分析处理后即可控制激光器的出光频率。

进一步的，激光器气体分析仪还包括显示模块，处理器的显示信号输出端连接显示模块。

显示模块用于显示各种数据，使操作人员方便观看。

进一步的，分光单元为光纤分束器，各光路均为光纤光路。

光纤分束器可以同时将一路光分为多束，而且对光功率的损耗极小，采用光纤分束器可以简化光路结构，进一步的减小激光气体分析仪的体积。

附图说明

图1是本实用新型激光气体分析仪的结构简图；

图2是本实用新型激光气体分析仪的结构框图；

图3是本实用新型激光气体分析仪在线零点校准方法的流程图。

具体实施方式

本实施例提出的激光气体分析仪如图1所示，包括激光器、分光单元、待测气室、标准气室、第一光电探测器(即图1中的光电探测器C)、第二光电探测器(即图1中的光电探测器B)、第三光电探测器(即图1中的光电探测器A)和控制模块。

激光器通过分光单元分出三条光路，分别为第一光路、第二光路和第三光路，第一光路通过待测气室连接光电探测器C，第二光路通过标准气室连接光电探测器B；第三光路直接连接光电探测器A，控制模块的输入端连接各光电探测器，用于获取光电转换信号；控制模块的输出端连接激光器。

本实施例中，第三光路的作用有两个，一个是为了更加精确的得到目标气室或者待测气室中目标气体的光吸收频率，另一个为了得到更加精确的零点背景(零点背景用于对激光气体分析仪进行零点校准，使得激光气体分析仪得到更加准确的气体分析结果)，作为其他实施方式，在保证光吸收频率准确以及零点背景准确的前提下，第三光路也可以没有，对应的光电探测器A也可以没有。

控制模块用于控制激光器的出光频率，包括交直流分离电路和处理器，作为一种具体的实施方式，如图2所示，交直流分离电路为滤波电路，滤波电路的信号输入端连接各光电探测器，滤波电路的信号输出端连接处理器，处理器的输出端连接激光器，而且激光器为带尾纤的半导体激光器，控制模块为图2中的控制部分，处理器为图2中的核心处理器。本实用新型对交直流分离电路的具体实施方式不做限制，可以是现有光电探测技术中任一能够将光信号转换的电信号分离为交流信号和直流信号的电路。同时,为了使激光器正常工作以及保证各探测器的信号处于同一光强水平，该控制部分还设置有锁相放大电路和高频调制电路进行辅助校准，而且锁相放大电路和高频调制电路均可以通过软件(即存储在处理器上的程序)实现。

为了便于观察和读数，激光器气体分析仪还包括显示模块，相应的控制部分还包括显示电路，显示电路也是通过软件来实现，处理器的显示信号输出端连接显示模块，当然，在无需观察和读数的情况下，显示模块也可以没有。

为了使激光气体分析仪的光损耗减小以及结构简单，本实施例中，分光单元如图2所示为光纤分束器，各光路均为光纤光路，作为其他实施方式，在不考虑光损耗以及结构复杂的情况下，分光单元也可以是两个或多个分光镜组成。

该激光气体分析仪在零点校准时可以去除光路噪声，使得测量结果更加准确，以下是该激光气体分析仪如图3所示的在线零点校准方法：

1)高频调制电路产生的高频波长调制信号和处理器产生的低频锯齿波扫描信号同时加载到激光器上，激光器的扫描频率范围覆盖目标气体吸收频率和目标气体不吸收频率的位置(即无目标气体光吸收频率的位置)，调制过的激光被分成三条光路，分别为第一光路、第二光路和第三光路，第三光路经过光纤准直器(图中未画出)后连接被光电探测器A，第二光路经过已知浓度的标准气室后连接光电探测器B，第一光路经过待测气室后连接光电探测器C，各探测器将接收的光信号转化为电信号输入滤波电路。

待测气室和标准气室中都包含目标气体，为待测的目标气体和标准的目标气体，只是待测气室中目标气体的浓度未知，标准气室中目标气体的浓度已知。

2)滤波电路将光电探测器A、光电探测器B和光电探测器C输入的信号分离为交流信号H_A、H_B、H_C，直流信号I_A、I_B、I_C。直流信号I_A、I_B、I_C送入核心处理器；交流信号H_A、H_B、H_C与高频调制电路产生的高频波长调制信号一起进入锁相放大电路进行波长解调，分别得到相应的二次谐波信号S_A、S_B和S_C，二次谐波信号S_A、S_B和S_C进入核心处理器。

由于此时激光器扫描频率范围覆盖目标气体吸收频率和目标气体不吸收频率的位置，因此，此时二次谐波信号S_A中携带有激光器的本底噪声S_laser，二次谐波信号S_B中携带有激光器的本底噪声S_laser和标准的目标气体的吸收信息S_stand，二次谐波信号S_C中携带有激光器的本底噪声S_laser、待测气室产生的光路噪声S_light以及待测的目标气体的浓度信息S_measure。

3)处理器对二次谐波信号S_A、S_B和S_C进行归一化处理，使各二次谐波信号位于同一光强水平，得到归一化后的二次谐波信号，分别为第三光电转换信号K_A、第二光电转换信号K_B和第一光电转换信号K_C，其中

处理器经过分析处理后会输出两路信号：

第I路信号

第II路信号

此时的第I路信号为标准的目标气体的吸收信息S_stand，第II路信号为待测气室产生的光路噪声S_light以及待测的目标气体的浓度信息S_measure。

4)第I路信号被分为两路，一路发送到显示电路进行显示，一路反馈到激光器，用于改变激光器的频率。通过第I路信号得到标准气室中标准的目标气体的光吸收频率，即目标气体的光吸收频率(由于目标气体的性质，目标气体光吸收频率并不是一个点值，而是一个光吸收频率范围)，也是待测的目标气体的光吸收频率。控制激光器产生的光频率扫过无待测的目标气体光吸收频率的位置，此时激光器的整个扫描范围不包括目标气体的光吸收频率，使得标准的目标气体的吸收信息S_stand等于0，待测的目标气体的浓度信息S_measure也等于0，即第I路信号N_I等于0，第II路信号N_II为待测气室产生的光路噪声S_light。

5)将第II路信号N_II作为零点背景，根据零点背景对激光气体分析仪进行零点校准，设定激光气体分析仪的补偿参数。

当激光气体分析仪校准完毕之后，通过调整激光器输出的激光频率扫描范围，使得待测气体的吸收频率范围处于激光频率扫描范围内，当然此时，激光频率的扫描范围覆盖待测气体的吸收频率范围，也覆盖待测气体的不吸收频率的位置，第II路信号N_II只包括待测的气体浓度信息，即可测量得出待测的目标气体的气体浓度。

Claims (5)

1.一种激光气体分析仪，其特征在于，包括激光器、分光单元、待测气室、标准气室、第一光电探测器、第二光电探测器和控制模块；所述激光器通过分光单元分出至少第一光路和第二光路，所述第一光路通过待测气室连接第一光电探测器，所述第二光路通过标准气室连接第二光电探测器；所述控制模块的输入端连接各光电探测器，用于获取光电转换信号；所述控制模块的输出端连接所述激光器，用于控制激光器频率。

2.根据权利要求1所述的激光气体分析仪，其特征在于，所述激光气体分析仪还包括第三光电探测器，所述激光器通过分光单元还分出第三光路，所述第三光路直接连接第三光电探测器，所述第三光电探测器的输出端连接所述控制模块。

3.根据权利要求1或2所述的激光气体分析仪，其特征在于，所述控制模块包括交直流分离电路和处理器，所述交直流分离电路的信号输入端连接各光电探测器，所述交直流分离电路的信号输出端连接处理器，所述处理器的输出端连接所述激光器。

4.根据权利要求3所述的激光气体分析仪，其特征在于，所述激光器气体分析仪还包括显示模块，所述处理器的显示信号输出端连接所述显示模块。

5.根据权利要求1所述的激光气体分析仪，其特征在于，所述分光单元为光纤分束器，各光路均为光纤光路。

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