[发明专利]能消除剩余幅度调制的光纤气体检测系统及其检测方法

说明书

能消除剩余幅度调制的光纤气体检测系统及其检测方法，属于气体检测技术，系统包括驱动模块、DFB半导体激光器、石英音叉气体传感器等。锯齿波驱动的DFB半导体激光器输出的激光在石英音叉气体传感器被气体吸收，吸收后的信号与激光器的锯齿波驱动信号相除，选取吸收强度最大处的驱动电流作为吸收峰处的驱动电流。随后将驱动模块设置成吸收峰处的驱动电流，进行气体浓度检测。为消除外界对激光波长的影响，再次通过上述方法实现激光锁频和气体检测。本发明系统及其检测方法具有抗辐射、抗腐蚀、抗电磁干扰，在有害环境中能安全运行，不受环境的影响，同时消除波长调制中剩余幅度调制影响，提高了系统精度。

技术领域

本发明涉及一种石英音叉光声光谱光纤气体检测波长锁定方法及其气体检测系统，具体讲是一种能消除剩余幅度调制的光纤气体检测系统及其检测方法，属光纤气体检测技术领域。

背景技术

随着社会经济的发展，气体浓度的快速准确检测在煤炭、石油化工、冶金、电力、农业、医疗、军事等行业以及环保和生物工程等方面有着非常广泛的应用。“中国天宫－2”和“神舟－11”飞船的成功发射，我国“天空”空间站建设和“神舟”系列载人航天得到快速发展，这些领域中飞行器舱内外都需要对微量气体进行检测，用来保证飞行器正常飞行和人员的生命安全。全世界石油和天然气管道的数量正逐渐增加，大量的天然气田开发和管道建设将大大增加天然气传感器的需求。日趋严重的雾霾、工业废气和汽车尾气的排放等，使外界环境和室内有毒气体监测成为了必要。光纤气体传感器凭借着抗辐射、抗电磁干扰、耐高温高压、结构简单、稳定性强和远距离传输等优势得到人们广泛关注和研究。随着经济发展的需要，检测领域气体浓度会比较低，有可能气体组分含量达到百万分之一甚至更低，对检测灵敏度和精度的要求越来越高。如何高灵敏度和高精度实现气体浓度的检测是急需解决的问题。

在提高气体检测灵敏度和精度的方法中，实现气体吸收中心波长激光的稳频是一个非常有效的方法。通过实现气体吸收中心波长激光的稳频，把激光器输出波长锁定在气体吸收峰的中心位置，减少测量周期时间，也可以减小锁相放大器带宽，提高系统洗澡比。同时，可以提高石英音叉传感器的响应效率，提高信号的强度。除此之外，可以通过累加平均等一系列信号处理办法进一步提高系统信噪比。

在气体吸收中心波长锁定方法中，通常是通过气体吸收的三次谐波的零点特性进行气体吸收峰的锁定，理论情况下，气体吸收峰中心波长对应的三次谐波的幅值为零，通过检测三次谐波的零点对应的波长即为气体吸收峰。但是，在实际情况下，DFB半导体激光器的发光特性是输出功率和波长同时受注入电流和温度的影响，温度和注入电流的改变都会影响激光器输出波长和强度。由于激光器强度的变化使最终测量的各次谐波信号都不是理想的，都受到剩余幅度调制的影响，三次谐波的气体吸收峰处的幅值不再是零。因此，采用三次谐波的零点直接进行锁定气体吸收峰会造成很大的误差。故气体吸收峰的激光锁定过程中消除剩余幅度调制是急需解决的问题。

《物理学报》2012年第61卷第12期作者为王贵师、易红明、蔡廷栋、汪磊、谈图、张为俊、高晓明名称为“基于石英音叉增强型光谱技术(QEPAS)的实时探测系统研究”利用石英音叉增强型光谱技术结合基于Lab-VIEW设计的数字频率锁定技术建立了一套气体实时探测系统，通过采用参考气室，使用三次谐波信号的零点特性实现气体吸收峰的锁定，将三次谐波信号作为误差反馈信号，将激光器锁定在待测气体吸收峰的中心位置。但这种检测技术需要耦合器分成两路，影响传感器中的激光功率，影响系统的精度，同时，系统结构比较复杂，稳定性不是很好。

发明内容

为了消除气体吸收中心波长激光锁定过程中剩余幅度调制影响，本发明提出了一种能消除剩余幅度调制的光纤气体检测系统及其检测方法。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：