[发明专利]波长捷变的可调谐半导体激光吸收光谱气体检测装置及方法

说明书

本发明公开了一种波长捷变的可调谐半导体激光吸收光谱气体检测装置及方法，装置包括激光器、环形器、反射式探头、光电探测器和数据转换单元，激光器受到激励时输出波长和光强随驱动电流周期变化的光信号，传输给环形器，环形器接收激光器的光信号，并将该光信号传输给反射式探头，反射式探头含有一段固定距离的开放光路，实现光信号与被测气体的相互作用，并将反射式探头返回的光信号给光电探测器，将光信号转换为微弱电流模拟信号，输出给数据转换单元，得到被测气体浓度值。每个周期的光强变化和波长变化，分为两个阶段。利用波长远离被测气体吸收谱线的第一个阶段光强变化量，补偿波长覆盖被测气体吸收谱线的第二个阶段光强变化量，改善测量精度和长期稳定性。

技术领域

本发明涉及一种波长捷变的可调谐半导体激光吸收光谱气体检测装置及方法。

背景技术

在光纤气体检测领域，光谱吸收方法是最常见的检测技术。该方法利用特定波长的光在气体中透射或者反射时光强的衰减来检测气体的浓度。每一种气体都有自己的特征吸收谱线，当光源发出的光波长与气体的吸收谱线重合时，会产生光吸收现象，光强会发生一定程度的衰减，衰减量与气体的浓度有关。

当一束光强为I₀的平行光通过含有被测气体的气室时，如果光信号覆盖被测气体的吸收谱线，则透射或反射光强发生衰减。根据比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律，输出光强I(λ)与输入光强I₀(λ)、气体浓度C之间的关系为：

其中，α_λ是被测气体在光波长为λ时的吸收系数，L是吸收路径的长度。

由式(1-1)可得：

当光信号波长λ恒定时，α_λ是一个常数，L可以测量得到。所以，通过检测I₀(λ)和I(λ)就可以得到被测气体浓度。

在使用光谱吸收原理检测被测气体浓度时，有许多因素会影响到检测精度：光源波长漂移、被测气体吸收谱线受到温度、压强影响等。为了克服这些因素对检测精度的影响，普遍采用的技术是可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术。

TDLAS技术采用线宽远小于传统红外光源的分布式反馈激光器(DFB)作为光源，利用三角波或锯齿波形状的驱动电流，对光源输出的波长进行线性调制，使波长扫描范围覆盖被测气体的吸收谱线。根据光功率的衰减量，判断被测气体的浓度。

但是，TDLAS技术着重解决的是光源波长漂移和被测气体吸收谱线变化对检测精度的影响。而光源的功率稳定性、光信号链路耦合处耦合状态的变化、光电器件指标漂移等随机因素同样会造成被测量光信号的强度变化，严重影响测量的准确性。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种波长捷变的可调谐半导体激光光谱气体检测装置及方法，本发明利用波长捷变技术，补偿了光源的功率漂移、光信号链路耦合处耦合状态的变化、光电器件指标漂移等随机因素造成的光信号强度变化，提高了气体检测的精度和长期稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种波长捷变的可调谐半导体激光光谱气体检测装置，包括激光器、环形器、反射式探头、光电探测器和数据转换单元，其中：

所述激光器受到激励时输出波长和光强随驱动电流变化的光信号，传输给环形器，环形器接收激光器的光信号，并将该光信号传输给反射式探头，反射式探头含有一段固定距离的开放光路，实现光信号与被测气体的相互作用，并将反射式探头返回的光信号给光电探测器，将光信号转换为微弱电流模拟信号，输出给数据转换单元，得到被测气体浓度值。

进一步的，所述数据转换单元包括依次连接的放大器、模数转换器、控制器、数模转换器和电流源，所述放大器连接光电探测器，所述电流源连接激光器。