[发明专利]用于激光在线气体分析的信号传输方法及其传输装置

说明书

技术领域

本发明涉及气体浓度分析领域，特别涉及一种用于激光在线气体分析的信号传输方法及其传输装置，以及具有该信号传输装置的激光在线气体分析仪器。

背景技术

DLAS(Diode Laser Absorption Spectroscopy，半导体激光吸收光谱)技术是基于激光能量被气体分子“选频”吸收形成吸收光谱的原理测量气体浓度的技术。具体来说，半导体激光器发射出的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吸收导致激光强度产生衰减，激光强度的衰减与被测气体含量成正比。因此，通过测量激光强度衰减即可获知被测气体的浓度。

基于DLAS技术的激光在线气体分析仪器具有以下优点：(1)恶劣环境适应能力强，无需采样预处理，实现现场在线连续测量；(2)能够克服背景气体、水分和粉尘的干扰，测量精度高；(3)响应速度快，能够实现工业过程实时在线管理；(4)可以测量分析多种气体，应用面广。

激光在线气体分析仪器包括中央处理单元和测量单元。由于DLAS技术采用的激光光源与常规光纤有良好的兼容性，故半导体激光器可以设置在中央处理单元内，通过光纤将激光传输到测量现场，从而大大降低测量单元的发射端的复杂性。如果在测量单元的接收端也能够通过光纤将信号传输到中央处理单元，可以大大增强激光在线气体分析仪仪器的抗电磁干扰能力、适应恶劣环境和防爆环境的能力。但是在接收端将经被测气体吸收的自由空间激光直接耦合进光纤非常困难，光路调节精度需要达到微米级精度，在工业现场更加难以实现；或者在接收端使用价格昂贵的空间激光-光纤耦合器，但这种无源光耦合器件在耦合过程中会造成光能量的损失，降低信号的信噪比，进而影响检测精度，并且直接耦合的光信号很弱，不利于长距离传输。

现有技术通常是在测量单元的接收端设置光电探测器，以将所接收的光信号转换为电信号，从而避免光能量在耦合和传输过程中的损失，最大限度的保存光信号中的信息，但光电探测器输出的是模拟电信号，通过电缆传输容易受到干扰，不利于长距离传输。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决基于DLAS技术的激光在线气体分析仪器中，使用电缆传输信号抗电磁干扰能力弱、传输距离近，以及使用无源光耦合器件接收信号导致信号衰减的问题。

为达到上述目的，本发明一方面提供一种用于激光在线气体分析的信号传输方法，包括以下步骤：半导体激光器发射测量光束；所述测量光束通过输出光纤传输至测量单元的发射端；所述测量光束在所述发射端射出所述输出光纤形成自由空间激光束，射入被测气体；在测量单元的接收端使用有源光-光转换模块接收经所述被测气体吸收后的自由空间激光，转换放大为光纤激光后通过输入光纤传输至远端的中央处理单元。

在本发明实施例中，所述有源光-光转换模块接收经所述被测气体吸收后的自由空间激光，转换放大为光纤激光的步骤包括：经所述被测气体吸收后的所述自由空间激光输入至光电探测器转换为电流信号；所述电流信号输入至信号放大电路转换为电压信号并放大；放大后的电压信号输入至激光器驱动电路，所述激光器驱动电路根据所述放大后的电压信号调制二级管激光器的电流；所述二级管激光器根据调制后的电流发射所述光纤激光。

在本发明实施例中，所述有源光-光转换模块接收的激光波长为从可见光到近红外光的波长范围内的连续波长，输出的激光波长为紫外光、可见光、近红外光波长范围内的任一波长。

在本发明实施例中，半导体激光器、中央处理单元与位于现场的测量单元之间的光信号传输均通过光纤实现，由于光纤中光信号衰减小，故所述测量光束的单程传输距离最大可以达到大于1Km。

在本发明实施例中，所述测量光束传输至所述测量单元的发射端经过准直装置，将所述自由空间激光束准直为平行光束之后射入所述被测气体。