專利名稱：基于準連續二極管激光器調制光譜氣體監測方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及檢測氣體的方法和裝置，特別是涉及高靈敏、高分辨、可用于痕量氣體檢 測的方法和裝置，具體講是涉及基于準連續二極管激光調制光譜氣體檢測方法和裝置。
背景技術：
可調諧二極管激光吸收光譜技術是一種具有高靈敏、高分辨、快速響應特點的檢測技 術，被廣泛應用于工業氣體監控及環境大氣監測等領域。它利用二極管激光器的波長調諧 特性，即通過改變二極管激光器的溫度或者注入電流，而使激光器輸出波長改變。在波長 調諧范圍內獲得被選定的待測氣體特征吸收線的吸收光譜，從而對污染氣體進行定性或者 定量分析。
對于濃度較高的氣體，可以采用直接吸收光譜檢測的方法。直接吸收光譜就是以波長 為函數記錄被測氣體對入射光吸收的原始吸收譜線，它是從透過光強的變化中分析被測氣 體的濃度。當氣體對入射光的吸收很小時，則透過光強很強，而光強的相對變化非常小， 于是容易受到背景噪聲的干擾，引起測量誤差。
為了提高探測的靈敏度，一般會根據具體情況對激光器采取不同的調制技術如波長調 制、振幅調制、頻率或者位相調制等。
波長調制技術最早出現于20世紀70年代，經過30余年的發展已成為光譜檢測技術領 域的重要手段。與直接吸收光譜檢測相比，波長調制吸收光譜技術的檢測靈敏度可提高100 倍以上。波長調制技術是將高頻正弦信號疊加到二極管激光器的注入電流上，并通過疊加 頻率遠低于正弦信號的鋸齒波或三角波掃頻信號，使激光器發出的激光掃過一定波長范圍。 最早基于波長調制技術的調諧二極管激光系統在低于lkHz范圍內進行調制并進行二次諧波 檢測。如今利用50kHz信號調制，100kHz信號解調已很常見。
可調諧激光吸收光譜技術結合波長調制技術，可實現多種物質分子的實時快速檢測， 已成為一種工業氣體監控及環境大氣在線監測的重要手段。這種方法以鋸齒波或三角波電 壓為掃頻信號，在其上疊加高頻正弦擾動，將直流檢測信號轉換為高頻交流信號，可以有 效抑制系統中的噪聲和各種外界干擾，在檢測靈敏度、精度方面比直接檢測方法具有明顯 的優勢。目前波長調制光譜方法已成功應用于連續二極管激光器，國內外眾多學者都做了 許多氣體探測的研究，探測靈敏度可達PPb量級。
發明內容
為克服現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題和目的是，提供一種基于準連續 二極管激光的調制光譜方法及裝置，從而實現將準連續可調諧二極管激光作為TDLAS系統 的光源，并利用調制光譜方法提高檢測靈敏度和分辨率，適用于痕量氣體的檢測或監測。
本發明的技術方案是
一種用于氣體檢測的準連續二極管激光調制光譜方法，使調制信號發生器輸出一個調制信號和一個參考信號，將調制信號提供給激光驅動器以控制準連續二極管激光器的注入 電流，并將參考信號提供給鎖相放大器，使準連續二極管激光器發出的激光通過待檢測氣 體后被光電探測器接收，將光電探測器的輸出輸送到前置放大器放大后送入鎖相放大器， 將鎖相放大器的輸出信號經AD轉換器送到計算機中進行處理分析，得到被測氣體的種類及 濃度數據。
所述采用的準連續二極管激光器，是以脈沖電流做驅動信號，其占空比為50%或50%以下。
將調制信號提供給激光驅動器以控制準連續二極管激光器的注入電流，采用的注入電 流為調制信號與偏置電流的疊加，使偏置電流大于等于準連續二極管激光器的閾值電流。
所述調制信號是在準連續二極管激光器的脈沖注入電流信號上疊加頻率為/i高頻正弦 擾動和低頻掃描信號，所述低頻掃描信號是頻率低于脈沖注入電流的鋸齒波或三角波信號， 所述調制信號對應的參考信號是疊加的高頻正弦信號的倍頻W、 2力、3力、……，使鎖相放 大器得到所述氣體吸收譜的多次諧波或某一次諧波信號。
所述調制信號也可以是在準連續二極管激光器的頻率為/2脈沖注入電流信號上疊加低 頻掃描信號，所述低頻掃描信號是頻率低于脈沖注入電流的鋸齒波或三角波信號，所述調 制信號對應的參考信號是脈沖注入電流信號的倍頻1/2、 2/2、 3/2、……，使鎖相放大器得到 所述氣體吸收譜的多次諧波或某一次諧波信號。
所述使鎖相放大器得到的氣體吸收譜的多次諧波或某一次諧波信號經AD轉換送到計算 機進行處理，得到被測氣體的種類及濃度數據。
基于準連續二極管激光的調制光譜裝置，包括依次連接的調制信號發生器l、激光驅動 器2、激光光譜光路IO、信號調理電路ll、計算機9，所述的激光光譜光路10包括準連續 二極管激光器3、長光程氣體池4、光電探測器5，其中，二極管激光器3連接激光驅動器 2的輸出，激光經準直后入射到長光程氣體池4，從氣體池出射的激光由光電探測器5接收， 調制信號發生器1、光電探測器5的輸出分別與信號調理電路11相連接，調理電路11還與 計算機9相連接。
所述的信號調理電路11包括依次相連的前置放大器6、鎖相放大器7、數據采集卡8， 其中，前置放大器6的輸入端連接到光電探測器5的輸出，鎖相放大器7連接數據采集卡8， 數據采集卡8將采集到的光譜數據傳入計算機9，鎖相放大器7連接到調制信號發生器1。
與現有技術相比，本發明的有益效果是將調制光譜技術應用于準連續二極管激光器 做光源的TDLAS檢測系統，使準連續二極管激光光源代替傳統的連續二極管激光光源，實 現高靈敏、高分辨的氣體檢測手段。主要表現為以下幾個方面其一，準連續激光二極管 做光源的TDLAS系統與調制光譜技術相結合的檢測手段較傳統的直接吸收檢測技術相比， 將直流檢測變為交流檢測，分辨率可提高一個數量級以上；其二，利用鎖相放大器進行諧 波信號的窄帶檢測，比傳統寬帶檢測的靈敏度提高一個數量級以上；其三，激光器的準連' 續工作方式大大擴展了激光器的工作溫度范圍，進而使激光器調諧波長范圍達到幾十納米， 可以同時測量多種氣體成分。
圖1是本發明裝置的結構示意圖。 其中-
l.調制信號發生器 3.準連續二極管激光器 5.光電探測器 7.鎖相放大器 9.計算機
圖2是本發明方法中調制信號的示意圖 圖3是本發明方法中調制信號的示意圖
具體實施例方式
使用準連續激光器作為光源做痕量氣體檢測時，通常采用直接檢測(或門控技術)，將波 長調制技術應用于準連續激光器的方法未見報導。為提高檢測靈敏度，將波長調制技術應用 于準連續激光器將具有重要意義。
本發明涉及一種用于氣體檢測的準連續二極管激光調制光譜方法，包括由調制信號發生 器提供一高頻調制信號，此調制信號是在脈沖波上疊加高頻正弦擾動和低頻鋸齒波掃頻信號， 此調制信號還可以是在脈沖波上直接疊加低頻鋸齒波掃頻信號。將此調制信號提供給激光驅 動器以控制激光器的注入電流，激光器發出一定波長范圍的激光通過待檢測氣體后被光電探 測器接收，經前置放大器放大后送入鎖相放大器，按工作要求處理分析。
本發明采用的激光器是一種準連續二極管激光器，它以脈沖電壓做驅動信號， 一個脈沖 周期的工作部分占周期的50%以下，工作在交流模式下。
本發明采用的調制信號是頻率為/i (一般為幾十kHz)的高頻正弦信號，參考信號頻率是 調制信號頻率的整數倍，即1/i、 2力、3/i、……、調制信號還可以是頻率為/2的脈沖信 號，參考信號頻率是脈沖信號頻率的整數倍，即1/2、 2/2、 3/2、……、"/2。掃頻信號是頻率 低于調制信號(一般為幾十Hz)的鋸齒波或三角波信號。
用于濾波和解調的鎖相放大器需施加頻率為正弦調制信號頻率的整數倍，iyi、 2力、
3力、……、/7/i的同歩參考信號，或脈沖頻率的整數倍，1/2、 2/2、 3/2、……、/7/2的同步參考 信號，對調制信號進行不同倍頻解調，對吸收譜的多次諧波進行探測。采集卡采集鎖相放大 器檢測到的多次諧波信號后送入計算機進行數據分析處理。
本發明方法中， 一種是調制信號為脈沖波、正弦波、鋸齒波三路信號的疊加；另一種是 調制信號只是由脈沖信號和鋸齒波兩路信號的疊加。而對應于第一種調制信號，鎖相放大器 的參考信號是正弦信號的整數倍；對應于第二種調制信號，參考信號是脈沖信號的整數倍。
本發明采用的激光驅動器包括溫度控制模塊和電流控制模塊。其中溫度控制模塊是通 過控制二極管激光器內部的熱電制冷器控制激光器的內部溫度，以實現將激光器的溫度控制 在激光器可正常發光的溫度范圍內。電流控制模塊為激光器提供一個偏置直流電流，此直流 電流與調制信號發生器提供的調制信號共同控制二極管激光器的注入電流，對二極管激光器
2.激光驅動器 4.長光程氣體池 6.前置放大器 8.數據采集卡本發明的待檢測氣體可以是密封于懷特式結構的長光程氣體吸收池內的低濃度氣體，也 可以是一種開放式的光路結構中的氣體，通過改變激光的反射次數來增加光程長度，提高靈 敏度。
本發明的準連續二極管激光調制光譜的裝置，包括依次連接的調制信號發生器、激光驅 動器、激光光譜光路、信號調理電路、數據采集卡、計算機。
所述的激光光譜光路包括準連續二極管激光器、長光程氣體池、光電探測器，其中，二 極管激光器的輸入端連接激光驅動器，輸出激光經準直后進入含有待測氣體的長光程氣體池， 激光在吸收池內經多次反射后輸出激光由光電探測器接收，光電探測器的輸出與信號調理電 路相連接。
所述的信號調理電路包括前置放大器、鎖相放大器、數據采集卡，其中，前置放大器的 輸入端連接激光光譜光路中的光電探測器，鎖相放大器連接數據采集卡，數據采集卡將采集 到的光譜信息傳入計算機。
下面結合附圖和實施例對本發明的準連續二極管激光的調制光譜方法做出詳細說明。
本發明的用于氣體檢測的準連續二極管激光調制光譜方法，包括由調制信號發生器提供 一高頻調制信號，此調制信號是在脈沖波上疊加高頻正弦擾動和低頻鋸齒波掃頻信號，將此 調制信號提供給激光驅動器以控制激光器的注入電流，激光器發出一定波長范圍的激光通過 待檢測氣體后被光電探測器接收，經前置放大器放大后送入鎖相放大器，按工作要求處理分 析。所述的方法包括如下的步驟
首先由調制信號發生器產生1路調制信號和至少2路的參考信號，本發明以3路參考信 號為例。調制信號為高頻脈沖信號、高頻正弦信號和低頻鋸齒波信號的疊加。其中，高頻脈 沖信號頻率為5kHz，占空比為50%，為激光器提供注入電流；高頻正弦信號頻率為105kHz， 疊加于脈沖信號上，作為高頻調制信號；低頻鋸齒波信號頻率為60Hz，高電平為1.5V，低電 平為0V，作為掃頻信號掃過激光器的調制波長范圍。調制后的信號形式如圖2所示。
將調制信號發生器1產生的調制信號輸入激光驅動器2以控制準連續二極管激光器的注 入電流，對準連續二極管激光器進行電流調諧。同時激光驅動器2的溫度控制模塊通過控制 激光器內部的熱敏電阻溫度，設置激光器的溫度為15°C。
準連續二極管激光器3經電流調諧后，輸出波長在一定范圍內周期性連續變化，出射的 激光經兩片透鏡組成的準直機構準直后進入包含待測氣體的長光程氣體池4，在長光程氣體 池4內激光發生多次反射，經待測氣體的吸收后出射的激光被光電探測器5接收，光電探測 器5將光信號轉換成電信號輸入前置放大器6，經前置放大器6放大后的信號再輸入鎖相放 大器7進行諧波探測。
鎖相放大器7上施加同步信號為調制信號發生器1所產生的參考信號，頻率分別為調制 正弦信號頻率的1倍、2倍、3倍，即105kHz、 210kHz、 315kHz。可利用一個鎖相放大器， 采用不同的參考信號分別解調1次諧波、2次諧波、3次諧波，也可同時并聯3個鎖相放大器， 采用3個參考信號同時解調3個諧波信號。
解調后的諧波信號由鎖相放大器7送入數據采集卡8，數據采集卡8再將采集到的數據送入計算機進行數據分析處理。
被測氣體的多次諧波數據來源于其吸收譜的各階導數，即在各次諧波數據中都包含有氣 體的成分、濃度等特征信息，被測氣體吸收譜的多次諧波獲取的是一種高頻、窄帶信號，可 以有效抑制系統漂移、外界電磁干擾、電路噪聲以及共存干擾物的吸收等的影響；而且階次 高的信號對低頻干擾的抑制能力更好。然而信號的幅值隨階次增卨而減小很快，使得隨著階 次增大，信噪比減小。
偶次諧波(2 /;、 4 /;、 6 f、……)的最大值在氣體吸收線的中心處，且其線型都以此 中心線對稱；氣體吸收線的中心處與奇次諧波3 f、 5 /;、……)的0點對應，n階奇 次諧波最大值對應于(n-1)階諧波的變化率最值點。吸收譜的各次諧波本質上反映了譜的線 形，其數據包含了被測氣體的種類、濃度、不同類型噪聲等信息。
本發明的用于氣體檢測的準連續二極管激光調制光譜方法中的調制信號還可以是，在高 頻脈沖波信號上直接疊加低頻鋸齒波掃頻信號。其中，高頻脈沖信號頻率為5kHz,占空比為 50%，為激光器提供注入電流；低頻鋸齒波信號頻率為60Hz，高電平為1.5V，低電平為0V， 作為掃頻信號掃過激光器的調制波長范圍。調制后的信號形式如圖3所示。
如圖1所示，本發明的準連續二極管激光調制光譜的裝置，包括依次連接的調制信號發 生器l、激光驅動器2、激光光譜光路IO、信號調理電路ll、數據采集卡8、計算機9。
所述的激光光譜光路包括準連續二極管激光器3、長光程氣體池4、光電探測器5，其中， 準連續二極管激光器3的輸入端連接激光驅動器2，輸出激光經準直后進入含有待測氣體的 長光程氣體池4，激光在吸收池內經多次反射后輸出激光由光電探測器5接收，光電探測器 的輸出與信號調理電路ll相連接。 '
所述的信號調理電路11包括前置放大器6、鎖相放大器7、數據采集卡8，其中，前置 放大器6的輸入端連接激光光譜光路中的光電探測器5，鎖相放大器7連接數據采集卡8，數 據采集卡8將采集到的光譜信息傳入計算機9。前置放大器6對光電探測器5的輸出信號進 行放大，前置放大器6的輸出信號送入到鎖相放大器7，調制信號發生器1的參考信號部分 也輸入鎖相放大器7，鎖相放大器7對信號進行解調后的諧波信號送入數據采集卡8，最后傳 入計算機9進行數字濾波、粗大誤差剔除、溫度補償、背景扣除預處理等數據分析處理。 在本發明的例中選用
激光驅動器的型號為LDC3908。 準連續二極管激光器的型號為LD220-HHL #1。 光電探測器的型號為AMT-07。 鎖相放大器型號為SR844。
權利要求
1. 一種用于氣體檢測的準連續二極管激光調制光譜方法，其特征在于，使調制信號發生器輸出一個調制信號和一個參考信號，將調制信號提供給激光驅動器以控制準連續二極管激光器的注入電流，并將參考信號提供給鎖相放大器，使準連續二極管激光器發出的激光通過待檢測氣體后被光電探測器接收，將光電探測器的輸出輸送到前置放大器放大后送入鎖相放大器，將鎖相放大器的輸出信號經AD轉換器送到計算機中進行處理分析，得到被測氣體的種類及濃度數據。
2. 如權利要求1所述的準連續二極管激光調制光譜方法，其特征在于所述采用的準連續二極管激光器，是以脈沖電流做驅動信號，其占空比為50%或50%以下。
3. 如權利要求1所述的準連續二極管激光調制光譜方法，其特征在于將調制信號提供給激 光驅動器以控制準連續二極管激光器的注入電流，采用的注入電流為調制信號與偏置電流 的疊加，使偏置電流大于等于準連續二極管激光器的閾值電流。
4. 如權利要求1所述的準連續二極管激光調制光譜方法，其特征在于所述調制信號是在準連續二極管激光器的脈沖注入電流信號上疊加頻率為力高頻正弦擾動和低頻掃描信號，所 述低頻掃描信號是頻率低于脈沖注入電流的鋸齒波或三角波信號，所述調制信號對應的參考信號是疊加的高頻正弦信號的倍頻l力、2力、3yj、……，使鎖相放大器得到所述氣體吸 收譜的多次諧波或某一次諧波信號。
5. 如權利要求1所述的準連續二極管激光調制光譜方法，其特征在于所述調制信號也可以 是在準連續二極管激光器的頻率為/2脈沖注入電流信號上疊加低頻掃描信號，所述低頻掃描信號是頻率低于脈沖注入電流的鋸齒波或三角波信號，所述調制信號對應的參考信號是脈沖注入電流信號的倍頻1/2、 2/2、 3/2、……，使鎖相放大器得到所述氣體吸收譜的多次諧波或某一次諧波信號。
6. 如權利要求4或5所述的準連續二極管激光調制光譜方法，其特征在于所述使鎖相放大 器得到的氣體吸收譜的多次諧波或某一次諧波信號經AD轉換送到計算機進行處理，得到 被測氣體的種類及濃度數據。
7. 實現權利要求1所述的準連續二極管激光調制光譜的裝置，其特征在于包括依次連接的調制信號發生器(1)、激光驅動器(2)、激光光譜光路(10)、信號調理電路(11)、計算 機(9)，所述的激光光譜光路(10)包括準連續二極管激光器(3)、長光程氣體池(4)、 光電探測器(5)，其中，二極管激光器(3)連接激光驅動器(2)的輸出，激光經準直后 入射到長光程氣體池(4),從氣體池出射的激光由光電探測器(5)接收，調制信號發生 器(1)、光電探測器(5)的輸出分別與信號調理電路(11)相連接，調理電路(11)還 與計算機(9)相連接。
8. 如權利要求7所述的準連續二極管激光調制光譜的裝置，其特征在于所述的信號調理電 路(11)包括依次相連的前置放大器(6)、鎖相放大器(7)、數據采集卡(8)，其中，前 置放大器(6)的輸入端連接到光電探測器(5)的輸出，鎖相放大器(7)連接數據采集 卡(8)，數據采集卡(8)將采集到的光譜數據傳入計算機(9)，鎖相放大器(7)連接到 調制信號發生器(1)。
全文摘要
本發明涉及檢測氣體的方法和裝置，具體講是涉及基于準連續二極管激光調制光譜氣體監測方法和裝置。為解決本發明采用的技術方案是，一種用于氣體檢測的準連續二極管激光調制光譜方法，使調制信號發生器輸出一個調制信號和一個參考信號，將調制信號提供給激光驅動器以控制準連續二極管激光器的注入電流，將參考信號提供給鎖相放大器用作參考信號，使準連續二極管激光器發出的激光通過待檢測氣體后被光電探測器接收，將光電探測器的輸出輸送到前置放大器放大后送入鎖相放大器，將鎖相放大器的輸出信號經AD轉換器送到計算機中進行處理分析，得到被測氣體的種類及濃度數據。本發明主要應用于需要高靈敏、高分辨進行痕量氣體檢測場合。
文檔編號G01N21/39GK101435773SQ20081015367
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月2日 優先權日2008年12月2日
發明者徐可欣, 杜振輝, 翟雅瓊 申請人:天津大學