[发明专利]一种基于半导体激光器的有源气室的光声光谱气体传感系统

说明书

技术领域

本发明涉及气体检测领域和光传感领域中的一种传感单元结构，具体涉及一种集成半 导体激光器的有源气室结构与光声光谱气体传感系统。

背景技术

近年来，伴随着光通信产业的成熟与壮大，大批高性能光器件的成本不断降低，尤其 是近红外通信波段(800～1700nm)的半导体DFB激光器，其输出功率和线宽特性都得到 极大提升。使得在线监测定量分析成为可能。光声光谱技术是一种无背景信号的检测技术， 具有不消耗载气、灵敏度高、检测时间短、免维护等优点。对于浓度较低的样品气体，仍 然可以获得较高的灵敏度。例如，近红外窄线宽DFB半导体激光器的成熟，可以方便地 利用性能优异的近红外通信波段(800～1700nm)DFB激光器，结合光声光谱技术实现优 于1ppm微量气体的实时测量。虽然目前某些气体，如乙烷，在近红外波段并无明显吸收， 但是中红外区域3400nm附近的量子级联DFB半导体激光器的量产也指日可待，为这些 气体实现高灵敏度的检测提供了又一助力。

现阶段，变压器油中溶解的ppm级微量特征气体的浓度检测主要采用气相色谱法。 气相色谱法的标准操作流程包括：现场油样采集——油气分离——色谱柱实现气体组分逐 一分离——气敏传感器完成浓度检测。这种检测方式需配置载气且经常更换，同时色谱柱 也属于耗材，需定期更换，给运行维护带来诸多不便。

光声光谱气体检测技术具有灵敏度高(实验室单气体检测精度达ppb量级)、实时性 好等优点，在工业领域具有极大的发展潜力。在前期光声光谱技术研发过程中，我们发现 其核心部分——光声气室的结构设计与优化对提升光声检测系统的灵敏度、稳定性和结构 小型化起着决定性作用。在保证系统灵敏度的前提下，光声气室的小型化是减少检测耗气 量、提高响应速度的主要考量。而小的共振腔(直径2mm)需要激光器输出光束直径和 固定工艺(光束与谐振腔轴线平行)的保证，以及满足谐振腔内壁加工精度的要求，而目 前比较通用的DFB激光器+光纤准直器输出的结构，对光束平行度及其准直工艺提出了 较高的要求，限制了气室的小型化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有气室/气体池存在的半导体激光器耦合与光束 调整工艺复杂、稳定性差的问题，提供一种集成半导体激光器式的有源气室结构与光声光 谱气体传感系统，大大提高注入光功率，同时简化光束调整结构，实现气室小型化和稳定 性的提高。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于半导体激光器的有源气室的光声光谱气体传感系统，它包括集成半导体激光 器、光声池、麦克风、光电探测模块、信号处理模块、半导体激光器控制模块和数据输出 模块，所述集成半导体激光器直接与光声池的一端封装为一体构成整体光声气室，所述麦 克风安装在光声池的外侧、用于检测光声池中形成的声压信号的强度，并将其转化为电信 号；所述光电探测模块的光敏面对准光声池的出光端、用于将光信号转化为电信号；光电 探测模块及麦克风的输出端均连接至信号处理模块的输入端，信号处理模块的一个输出端 与半导体激光器控制模块相连、另一个输出端与数据输出模块相连；所述半导体激光器控 制模块与集成半导体激光器的控制端相连接。

按上述方案，所述集成半导体激光器采用近红外DFB半导体激光器。

按上述方案，所述有源光声气室为单端口或者两端口气室(光声气室采用哑铃型结构， 该结构可使光声信号仅沿纵向传播，而在径向及角向几乎没有变化，从而有利于光声信号 的探测)。

按上述方案，所述信号处理模块包括锁相放大器，信号处理模块通过锁相放大器利用 锁相法实现弱信号提取。