一种基于锁模腔增强吸收光谱的多气体检测装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供的一种基于锁模腔增强吸收光谱的多气体检测装置和方法，采用重复频率锁定技术，根据气体的吸收光谱确定多个锁定点，通过对激光器温度进行非线性调谐使激光频率扫描过这些锁定点；该重复频率锁定技术采用比例积分微分(PID)控制器，可以自动探测锁定点并进行锁定，该锁定将持续一定时间，随后主动中止锁定，并等待激光频率扫描到下一个锁定点进行再次重复锁定。本发明专利技术提供的装置和方法扩大了锁模腔增强吸收光谱技术的波长扫描范围，从而实现了多种气体检测；采用非线性温度扫描，提高检测速率；通过与无吸收的基线位置进行差分检测，消除了激光光强波动引起的噪声，提高了检测精度。了检测精度。了检测精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于锁模腔增强吸收光谱的多气体检测装置和方法


[0001]本专利技术涉及气体检测
，尤其涉及一种基于锁模腔增强吸收光谱的多气体检测装置和方法。

技术介绍

[0002]红外气体检测技术是指利用气体的红外吸收光谱进行浓度检测的技术，其基本原理是比尔朗伯定律，即一束平行单色光通过气体后，若激光波长位于气体吸收峰，则气体吸收的光强与气体浓度和有效吸收路径长度成正比。
[0003]腔增强吸收光谱技术是一种灵敏度极高的红外气体检测技术，利用高精细度谐振腔作为气室，谐振腔一般由两面或多面反射率极高的平凹镜组成，激光进入谐振腔后可在其中多次反射，从而大大增加有效吸收路径。常用的腔增强技术有锁模腔增强吸收光谱技术(ML
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CEAS)，宽带腔增强吸收光谱技术(IBBCEAS)，离轴积分腔输出光谱技术(OA
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ICOS)和腔衰荡吸收技术(CRDS)等，CRDS通过检测光的衰荡时间来检测气体浓度，对探测器的电学性能要求较高；IBBCEAS需要光谱仪分析腔透射光谱线，设备价格昂贵；OA
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ICOS和ML
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CEAS都通过探测腔透射光强来检测气体浓度，但OA
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ICOS中激光通过离轴方式射入谐振腔中，无需锁模，但其输出信号强度较低与共轴相比其探测灵敏度较低。综上所述，ML
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CEAS系统灵敏度高。

技术实现思路

[0004]本专利技术的实施例提供了一种基于锁模腔增强吸收光谱的多气体检测装置和方法，用于解决现有技术中存在的问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。
[0006]一种基于锁模腔增强吸收光谱的多气体检测装置，包括激光器装置、分束器、第一光信号传输路径、第二光信号传输路径、PID控制器、激光器驱动器和计算机；
[0007]激光器装置通过分束器向第一光信号传输路径输入激光；第一光信号传输路径包括沿激光传播方向依次布置的模式匹配透镜组、谐振腔和第一光电探测器；谐振腔用于通入待测气体；第一光电探测器接收从谐振腔输入的透射光，获得第一检测信号并传输到计算机；
[0008]谐振腔还将激光器输入的激光反射至分束器，分束器将该反射的激光输入到第二光信号传输路径；第二光信号传输路径包括沿信号传播方向依次布置的第二光电探测器和乘法器；第二光电探测器接收从分束器输入的反射激光，获得第二检测信号并传输到乘法器，乘法器基于该第二检测信号结合接收到的激光相位调制信号获得误差信号，并传输到PID控制器；
[0009]PID控制器基于第一检测信号和误差信号获得反馈信号，并传输到激光器驱动器；激光器驱动器基于反馈信号控制激光器装置的电流；
[0010]计算机用于：
[0011]基于气体吸收光谱数据库和激光波长调谐范围生成初始温度调谐信号，并传输到激光器驱动器，使激光器装置通过分束器向第一光信号传输路径输入激光，获得第一检测信号并传输到计算机；
[0012]将第一检测信号进行高斯拟合，并与气体吸收光谱数据库进行对照，获得激光扫描范围内的激光吸收峰；
[0013]基于该激光吸收峰和激光频率基线参照点获得激光频率锁定点信息；
[0014]基于激光频率锁定点信息获得温度调制信号并发送到激光器驱动器，改变激光器的温度，获得变更的第一检测信号；
[0015]基于该变更的第一检测信号，重复上述第一至第三个过程，增加激光频率锁定点信息的数量；
[0016]分别计算一个激光频率锁定点信息与激光频率基线参照点的透射光幅值平均值的差值，获得待测气体浓度信息和待测气体种类信息。
[0017]优选地，计算机增加激光频率锁定点信息的数量的过程包括：
[0018]基于激光频率锁定点信息/增加的激光频率锁定点信息，通过增加远离激光频率锁定点区域的扫描速度，获得温度调制信号。
[0019]优选地，还包括偏振片、EOM和EOM驱动器；偏振片将激光器装置发出的激光转换为线偏振光，并输入到EOM中；EOM基于EOM驱动器输入的EOM驱动信号，对线偏振光进行调制，获得激光相位调制信号，并输入到乘法器。
[0020]优选地，激光器装置具有高频调制信号发生器，该高频调制信号发生器用于对激光器装置发出的激光进行调制，获得两路相位相差90度的激光相位调制信号，并分别输入到乘法器和激光器驱动器。
[0021]优选地，激光器装置包括激光器和光隔离器；激光器用于输出激光，光隔离器用于隔离反射光。
[0022]优选地，还包括第一滤波器和第二滤波器；第一滤波器为高通滤波器，位于第二光电探测器和乘法器之间；第二滤波器为低通滤波器，位于乘法器和PID控制器之间。
[0023]优选地，计算机具有数据采集卡，用于将温度调至信号进行数模转换。
[0024]第二方面，本专利技术提供一种基于锁模腔增强吸收光谱的多气体检测方法，包括：
[0025]S1将待测气体通入谐振腔，向激光器驱动器输送初始温度调谐信号，使激光器装置通过分束器向第一光信号传输路径输入激光，获得第一检测信号；
[0026]S2将第一检测信号进行高斯拟合，并与气体吸收光谱数据库进行对照，获得激光扫描范围内的激光吸收峰；
[0027]S3基于该激光吸收峰和激光频率基线参照点获得激光频率锁定点信息；
[0028]S4基于激光频率锁定点信息获得温度调制信号并发送到激光器驱动器，改变激光器的温度，获得变更的第一检测信号；
[0029]S5基于该变更的第一检测信号，重复步骤S1至S3，增加激光频率锁定点信息的数量；
[0030]S6基于步骤S5获得的激光频率锁定点信息，结合激光频率基线参照点，计算获得待测气体浓度信息和待测气体种类信息。
[0031]优选地，步骤S5包括：
[0032]基于激光频率锁定点信息/增加的激光频率锁定点信息，通过增加远离激光频率锁定点区域的扫描速度，获得温度调制信号。
[0033]优选地，步骤S6包括：
[0034]分别计算每个激光频率锁定点与激光频率基线参照点的透射光幅值平均值的差分幅值；
[0035]基于该透射光幅值对应的锁定点位置，获得待测气体种类信息；
[0036]基于该透射光幅值平均值的差分幅值，绘制拟合曲线，并基于该拟合曲线获得待测气体浓度信息。
[0037]由上述本专利技术的实施例提供的技术方案可以看出，本专利技术提供的一种基于锁模腔增强吸收光谱的多气体检测装置和方法，采用重复频率锁定技术，根据气体的吸收光谱确定多个锁定点，通过对激光器温度进行非线性调谐使激光频率扫描过这些锁定点；该重复频率锁定技术采用比例积分微分(PID)控制器，可以自动探测锁定点并进行锁定，该锁定将持续一定时间，随后主动中止锁定，并等待激光频率扫描到下一个锁定点进行再次重复锁定。本专利技术提供的装置和方法扩大了锁模腔增强吸收光谱技术的波长扫描范围，从而实现了多种气体检测；采用非线性温度扫描，提高检测速率；通过与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于锁模腔增强吸收光谱的多气体检测装置，其特征在于，包括激光器装置、分束器、第一光信号传输路径、第二光信号传输路径、PID控制器、激光器驱动器和计算机；所述激光器装置通过所述分束器向所述第一光信号传输路径输入激光；所述第一光信号传输路径包括沿激光传播方向依次布置的模式匹配透镜组、谐振腔和第一光电探测器；所述谐振腔用于通入待测气体；所述第一光电探测器接收从所述谐振腔输入的透射光，获得第一检测信号并传输到所述计算机；所述谐振腔还将所述激光器输入的激光反射至所述分束器，所述分束器将该反射的激光输入到所述第二光信号传输路径；所述第二光信号传输路径包括沿信号传播方向依次布置的第二光电探测器和乘法器；所述第二光电探测器接收从所述分束器输入的反射激光，获得第二检测信号并传输到所述乘法器，所述乘法器基于该第二检测信号结合接收到的激光相位调制信号获得误差信号，并传输到所述PID控制器；所述PID控制器基于所述第一检测信号和误差信号获得反馈信号，并传输到所述激光器驱动器；所述激光器驱动器基于所述反馈信号控制所述激光器装置的电流；所述计算机用于：基于气体吸收光谱数据库和激光波长调谐范围生成初始温度调谐信号，并传输到所述激光器驱动器，使所述激光器装置通过所述分束器向所述第一光信号传输路径输入激光，获得第一检测信号并传输到所述计算机；将所述第一检测信号进行高斯拟合，并与气体吸收光谱数据库进行对照，获得激光扫描范围内的激光吸收峰；基于该激光吸收峰和激光频率基线参照点获得激光频率锁定点信息；基于激光频率锁定点信息获得温度调制信号并发送到所述激光器驱动器，改变激光器的温度，获得变更的所述第一检测信号；基于该变更的所述第一检测信号，重复上述第一至第三个过程，增加所述激光频率锁定点信息的数量；分别计算一个所述激光频率锁定点信息与激光频率基线参照点的透射光幅值平均值的差值，获得待测气体浓度信息和待测气体种类信息。2.根据权利要求1所述的多气体检测装置，其特征在于，所述的计算机增加所述激光频率锁定点信息的数量的过程包括：基于激光频率锁定点信息/增加的激光频率锁定点信息，通过增加远离激光频率锁定点区域的扫描速度，获得所述温度调制信号。3.根据权利要求1所述的多气体检测装置，其特征在于，还包括偏振片、EOM和EOM驱动器；所述偏振片将所述激光器装置发出的激光转换为线偏振光，并输入到EOM中；所述EOM基于所述EO...

【专利技术属性】
技术研发人员：何启欣，常聚强，冯其波，李家琨，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：