一种半导体激光吸收光谱气体分析方法及系统技术方案

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．确定半导体激光器的输出光频率范围，在该光频率范围内选择至少两条被测气体的吸收谱线，并确定与吸收谱线对应的工作温度区间；ｃ．测得半导体激光器的工作环境温度Ｔ，确定半导体激光器的工作温度和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和拟使用的吸收谱线，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传感器接收；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。本发明专利技术还公开了一种用于实现上述方法的半导体激光吸收光谱气体分析系统。

【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及系统，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及系统。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Ao和/v分别表示频率为v的激光入射时和经过压力尸、浓度I和光程丄的 气体后的光强，S(7)表示气体吸收谱线的谱线强度，线形函数g(v-V())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r、光程Z和某一气体吸收谱线的谱 线强度s(r)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r时的线强之比为其中，s(r。)为参考温度r。下被测吸收谱线的线强，力为普朗克常数，c为光速， A为玻尔兹曼常数，五"为吸收谱线跃迁对应的低能级能量，下标i、 2分别对应 谱线对中的两条谱线。由上式可见，线强比值及是温度r的函数。因此，通过 测量比值及就可以测量气体温度r。该比值与谱线对的下能级差有关，因此， 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 到被测气体的某一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)，整个测量过程中，始终使用该吸收谱线。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 方法通常有两种， 一是通过改变半导体激光器的工作温度(通常指半导体激光 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，其温控范 围可达60。C。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。需要对半导体激光器 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 半导体激光器加热时，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-上式中，ft;为从热电制冷器冷端抽运的热功率；/和r分别为加于热电制冷器上的电流和压降；￡为热电制冷器的性能系数。图2给出了一种典型热电制冷器的抽运热功率^和性能系数E、驱动电流 /^的关系。由图可见，若需在冷和热端产生4(TC的温差，需要在热电制冷器上 加3A的电流才能从热负载上抽运5 W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， 但该方案也具有以下不足l)在气体分析过程中，利用TEC把半导体激光器的 工作温度设定在固定值，不管半导体激光器所处环境的温度变化。当工作环境 温度和半导体激光器固定的温度的差别较大时，如工作环境温度是-5'C、 5(TC， 而分析系统在出厂前半导体激光器设置的稳定温度为20°C，半导体激光器需要 加热或制冷，使半导体激光器和工作环境的温差为25'C或3(TC，此时TEC的工 作电流和功耗都较大，这在便携或其他对功耗有要求的应用场合是个较大的缺 点；2)很多应用场合需要分析系统具有防爆功能，但TEC工作可能需要的大工 作电流导致无法或较难实现本安防爆设计。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低功耗、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及系统。 本专利技术的目的是通过下述技术方案得以实现的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. 确定半导体激光器的输出光频率范围，在该光频率范围内选择至少两条 被测气体的吸收谱线，并确定与吸收谱线对应的工作温度区间；c. 测得所述半导体激光器的工作环境温度r，确定半导体激光器的工作温度和拟使用的被测气体的吸收谱线；d. 根据所述半导体激光器的工作温度和拟使用的吸收谱线，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传感器接收；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。当采用加热方式时，所述步骤c为当所述工作环境温度r在一所述工作温 度区间内时，确定所述工作环境温度r为半导体激光器的工作温度，或通过加热 使半导体激光器的工作温度高于所述工作环境温度r并处在工作温度区间内，所述工作温度所处的工作温度区间对应的吸收谱线为拟使用的吸收谱线；当所述工作环境温度r不在所述工作温度区间内时,通过加热使所述半导体激光器的工作温度进入到一工作温度区间内，该工作温度区间对应的吸收谱线为拟使用的 吸收谱线。当采用加热和制冷方式时，所述步骤c为当所述工作环境温度r处在所述 工作温度区间内时，确定所述工作环境温度r为半导体激光器的工作温度，或通 过加热/制冷使半导体激光器的工作温度处在工作温度区间内，所述工作温度所 处的工作温度区间对应的吸收谱线为拟使用的吸收谱线；当所述工作环境温度r 不在所述工作温度区间内时，通过加热或制冷方式使半导体激光器的工作温度 进入到一工作温度区间内，该工作温度区间对应的吸收谱线为拟使用的吸收谱 线。作为优选，当所述工作环境温度r不在所述工作温度区间内时如果工作环 境温度r处本文档来自技高网...

【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．确定半导体激光器的输出光频率范围，在该光频率范围内选择至少两条被测气体的吸收谱线，并确定与吸收谱线对应的工作温度 区间；ｃ．测得所述半导体激光器的工作环境温度Ｔ，确定半导体激光器的工作温度和拟使用的被测气体的吸收谱线；ｄ．根据所述半导体激光器的工作温度和拟使用的吸收谱线，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传感器接收；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：王健，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]