一种半导体激光吸收光谱气体分析方法技术

本发明专利技术公开了一种半导体激光吸收光谱气体分析方法，所述方法包括以下步骤：ａ．确定半导体激光器的工作温度范围和工作电流范围；ｂ．在所述半导体激光器的工作温度范围内划分出至少二个工作温度区间和至少一个无吸收谱线温度区间，使任一工作温度区间对应被测气体的至少一条吸收谱线；ｃ．测得所述半导体激光器的工作环境温度Ｔ，根据所述工作环境温度Ｔ确定拟使用的被测气体的吸收谱线；ｄ．根据半导体激光器的工作温度Ｔ↓［ｗｏｒｋ］和步骤ｃ确定的吸收谱线的中心频率，确定并调整半导体激光器的工作电流；ｅ．半导体激光器发出的光穿过被测气体并被接收；对接收到的光信号进行吸收光谱分析，得到被测气体的被测参数并显示。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种气体参数分析方法，更具体地说，涉及一种利用半导体激光气体吸收光谱分析气体参数的方法。
技术介绍
半导体激光吸收光谱气体分析技术是一种广泛应用的气体分析技术。该技术通常使用单模半导体激光器，单模半导体激光器发射出的频率与被测气体某一吸收谱线中心频率相同的光束穿过被测气体时，被测气体的这一吸收谱线对测量光束能量的吸收导致测量光强度的衰减。半导体激光穿过被测气体的光强衰减可用Beer-Lambert关系准确表述Iv＝Iv，0T(v)＝Iv，0expIv，0和Iv分别表示频率为v的激光入射时和经过压力P、浓度X和光程L的气体后的光强，S(T)表示气体吸收谱线的谱线强度，线形函数g(v-v0)表征该吸收谱线的形状。由Beer-Lambert关系可知，光强度的衰减与被测气体含量、温度、压力等相关，因此，通过测量光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的相关参数。例如，在已知被测气体的压力P、温度T、光程L和某一气体吸收谱线的谱线强度S(T)时，可通过测量出该气体吸收谱线的吸收光谱，然后利用上述Beer-Lambert关系来测量气体的浓度。再例如，利用上述Beer-Lambert关系测量出同一气体成分的两条被测气体吸收谱线的吸收光谱，从而测量获得该谱线对的线强之比。该谱线对在温度为T时的线强之比为R=S1(T0)S2(T0)exp]]>其中，S(T0)为参考温度T0下被测吸收谱线的线强，h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数，E″为吸收谱线跃迁对应的低能级能量，下标1、2分别对应谱线对中的两条谱线。由上式可见，线强比值R是温度T的函数。因此，通过测量比值R就可以测量气体温度T。该比值与谱线对的下能级差有关，因此，谱线对的选择会直接影响气体温度的测量精度，选择合理的谱线对于气体温度测量至关重要。为了测量获得气体吸收谱线的吸收光谱信号，需要把半导体激光的频率调到被测气体吸收谱线的中心频率处(固定频率分析技术)或扫描过被测气体吸收谱线(频率扫描分析技术)。如图1所示，单模半导体激光器如DFB、DBR、VCSEL等的输出频率随温度增加而单调减小，随电流增加也单调减小。因此，改变半导体激光器输出光频率的方法有两种，一是通过改变半导体激光器的工作温度(通常指激光器座的温度，而不是结温)，另一种是通过改变半导体激光器的工作电流。通常，第一种方法的时间响应慢一些，但频率调整范围大一些，第二种方法的时间响应快一些，但频率调整范围小一些。通常，半导体激光吸收光谱气体分析技术通过设置合适的半导体激光器工作温度和工作电流使半导体激光器的光频率位于被测气体吸收谱线的中心频率处。如果采用频率扫描测量技术，则同时给半导体激光器注入一定频率的锯齿波或三角波电流使光频率扫描过整条吸收谱线来获得完整的高分辨率吸收光谱信号。为保证半导体激光器在稳定的工作温度下工作，上述吸收光谱气体分析技术一般使用半导体热电制冷器(TEC)，通过控制其工作电流来稳定半导体激光器的工作温度。它能以0.001摄氏度的精度将半导体激光器加热或冷却，其动态范围可达60℃。半导体热电制冷器是利用珀耳帖(Peltier)于1834年所观察到的，将电流以不同方向通过双金属片所构成的结时能对与其相接触的物体制冷或加热的所谓珀耳帖效应而实现的。现在的半导体热电制冷器是利用两块重掺不同类型杂质的半导体使之在电学上串联、热学上并联所构成的热电偶。需要对激光器降温时，其冷端从半导体激光器座处吸收热并将热排放到周围环境中；需要对激光器加热时，TEC从周围环境吸收热并将热传递到半导体激光器座处。从热负载抽运热量的速率取决于TEC模块所含热电偶的数量、通过电流的大小、模块的平均温度以及其两端的温差。从热端所散出的总功率可表示为QH=QC+ITECV=QC(1+1E)]]>上式中，QC为从半导体热电制冷器冷端抽运的热功率；ITEC和V分别为加于半导体热电制冷器上的电流和压降；E为半导体热电制冷器的性能系数。如图2所示，一种典型半导体热电制冷器的抽运热功率QC和性能系数E、驱动电流ITEC的关系。由图可见，若需在冷和热端产生40℃的温差，需要在半导体热电制冷器上加3A的电流才能从热负载上抽运5W的热功率。在工作点所对应的性能系数只有35％，由上式可知，总热耗散功率为19W，可见，实现5w的制冷功率需要额外消耗电路能量14W。尽管采用半导体热电制冷器能够较精确地控制半导体激光器的工作温度，但是该方案具有以下缺点1)需要使用TEC以及专门设计的控制和驱动电路，成本较高；2)TEC的工作电流和功耗较大，制冷的效率低，在使用自备电源时工作时间较短，同时发出的较大热量增加了热设计的复杂性和难度，从而较难实现气体分析系统的小型化和便携化；3)很多应用场合需要分析系统具有防爆功能，大工作电流导致无法或较难实现本安防爆设计，另外，TEC以及控制和驱动电路导致较大的体积，这也会增加隔爆设计的复杂性。上述缺点限制了使用TEC的半导体激光吸收光谱气体分析系统的应用领域。
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述不足，本专利技术提供了一种不需要TEC的低成本、低功耗、小体积以及易于实现本安和隔爆等防爆功能的半导体激光吸收光谱气体分析方法。本专利技术的目的是通过下述技术方案得以实现的，所述方法包括以下步骤a.确定半导体激光器的工作温度范围和工作电流范围；b.根据被测气体的吸收谱线特性，以及所述半导体激光器的工作电流范围和工作温度范围，在所述半导体激光器的工作温度范围内划分出至少二个工作温度区间和至少一个无吸收谱线温度区间，使任一工作温度区间对应被测气体的至少一条吸收谱线；c.测得所述半导体激光器的工作环境温度T，当所述工作环境温度T处于步骤b中划分出的一工作温度区间内时，确定与该工作温度区间对应的吸收谱线为拟使用的吸收谱线，同时该工作环境温度T作为工作温度Twork；当所述工作环境温度Twork处于所述一无吸收谱线温度区间内时，通过加热使所述半导体激光器的工作温度Twork进入步骤b中划分出的一工作温度区间内，确定与该工作温度区间对应的吸收谱线为拟使用的吸收谱线；d.根据所述半导体激光器的工作温度Twork和步骤c确定的吸收谱线的中心频率，确定并调整所述半导体激光器的工作电流；e.所述半导体激光器发出的光穿过被测气体并被接收；对接收到的光信号进行吸收光谱分析，得到被测气体的被测参数并显示。在气体分析过程中，重复所述步骤c、d和e。所述步骤a中，确定所述半导体激光器的工作环境温度范围，选择的半导体激光器的额定工作温度范围为，应使T4≥T2＞T3；当T3≤T1时，所述半导体激光器的工作温度范围为；当T3＞T1时，所述半导体激光器的工作温度范围为。所述步骤b为确定所述半导体激光器的最大输出光频率范围，并在所述最大输出光频率范围内选择至少两条被测气体的吸收谱线；确定与所述选择谱线分别对应的激光器最大工作温度区间；在所述工作温度范围内划分出至少二个工作温度区间和至少一个无吸收谱线温度区间，使任一工作温度区间对应被测气体的至少一条吸收谱线。当被测参数是浓度时，还对测得的被测气体浓度值进行补偿X补＝K内·K外·X测，K内为同一工作温度区间内的气体浓度补偿系数，K外为跨工作温度区间的气体浓度补偿系数，X测为测得的气本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体激光吸收光谱气体分析方法，所述方法包括以下步骤：ａ．确定半导体激光器的工作温度范围和工作电流范围；ｂ．根据被测气体的吸收谱线特性，以及所述半导体激光器的工作温度范围和工作电流范围，在所述半导体激光器的工作温度范围内 划分出至少二个工作温度区间和至少一个无吸收谱线温度区间，使任一工作温度区间对应被测气体的至少一条吸收谱线；ｃ．测得所述半导体激光器的工作环境温度Ｔ，当所述工作环境温度Ｔ处于步骤ｂ中划分出的一工作温度区间内时，确定与该工作温度区间对应 的吸收谱线为拟使用的吸收谱线，同时该工作环境温度Ｔ作为半导体激光器的工作温度Ｔ↓［ｗｏｒｋ］；当所述工作环境温度Ｔ处于所述一无吸收谱线温度区间内时，通过加热使所述半导体激光器的工作温度Ｔ↓［ｗｏｒｋ］进入步骤ｂ中划分出的一工作温度区间内，确定与该工作温度区间对应的吸收谱线为拟使用的吸收谱线；ｄ．根据所述半导体激光器的工作温度Ｔ↓［ｗｏｒｋ］和步骤ｃ确定的吸收谱线的中心频率，确定并调整所述半导体激光器的工作电流；ｅ．所述半导体激光器发出的光穿过被测气体并被接收； 对接收到的光信号进行吸收光谱分析，得到被测气体的被测参数并显示。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王健，顾海涛，刘立鹏，
申请(专利权)人：聚光科技杭州有限公司，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]