一种多组分大量程激光气体分析系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种多组分大量程激光气体分析系统及方法，属于气体浓度测量技术领域。该系统包括两个以上的DFB半导体激光器、温控器、电流驱动器、光束传输单元、光学气体吸收腔、光电探测器、信号处理单元和控制单元。通过设置多个并联的激光器，可采用分时控制的方式触发不同波长的激光器，进而实现对不同气体的测量；通过设置电流驱动器使激光器存在直接吸收和调制吸收两种工作状态，直接吸收工作状态下可进行高浓度气体的检测，调制吸收工作状态下可进行低浓度气体的检测，进而实现大量程范围的分析。的分析。的分析。

【技术实现步骤摘要】
一种多组分大量程激光气体分析系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种多组分大量程激光气体分析系统及方法，属于气体浓度测量


技术介绍

[0002]对污染源管控和治理方面的在线监测分析仪器的要求也日益提高。半导体激光吸收光谱分析技术基于其高灵敏度、高选择性、快速、无需样品预处理的特点，可以实现对气体快速、准确的测量，被应用于环保、石化、钢铁、生化、大气科学、军事环境等各个领域的环境大气分析，实现现场在线连续测量。
[0003]对于高浓度的气体，通常采用直接吸收光谱检测方法计算出浓度值。然而这种方法需要激光通过气体被吸收后，透射光的光强衰减比较大，才能够通过吸收凹陷区域的峰面积积分计算被测气体的浓度值。当峰面积积分值很小，计算得到的浓度值误差大、灵敏度和精度都比较低。为了提高低浓度范围的气体分析结果准确性，需要采用波长调制光谱(WMS)技术。波长调制光谱技术将激光器上的驱动信号由低频波长扫描改为低频波长扫描和高频正弦调制，配合锁相解调技术检测气体吸收光谱的高频谐波分量，大大提高信号的信噪比。
[0004]在环境大气检测中污染物的组分多且浓度范围跨度大，目前现有的激光气体分析仪只能对特定单一气体组分进行测量且测量动态范围窄，已经难以满足目前的测量需求，因此开发多种组分同时测量、大量程检测范围的激光气体分析技术十分有必要。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种多组分大量程激光气体分析系统及方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种多组分大量程激光气体分析系统，包括两个以上的分布式反馈(DFB) 半导体激光器、温控器、电流驱动器、光束传输单元、光学气体吸收腔、光电探测器、信号处理单元和控制单元；
[0008]每个DFB半导体激光器的中心波长分别对应不同被测气体的吸收峰值波长，两个以上DFB半导体激光器采用并联方式连接，光束传输单元分别与DFB 半导体激光器和光学气体吸收腔的入口光学连接，光学气体吸收腔的出口与光电探测器连接；
[0009]每个DFB半导体激光器分别连接一个温控器和一个电流驱动器，所述温控器在控制单元的驱动下为DFB半导体激光器提供工作温度；所述电流驱动器驱动DFB半导体激光器处于直接吸收状态或调制吸收状态；
[0010]信号处理单元，用于对光电探测器所输出的信号进行直接吸收处理或调制吸收处理；
[0011]控制单元，基于所述处理后的信号计算被测气体的浓度。
[0012]进一步地，所述电流驱动器与控制单元相连，在基于处理后的信号计算气体的透
射率最小值大于95％时，控制电流驱动器驱动DFB半导体激光器由直接吸收状态转换成调制吸收状态。
[0013]进一步地，所述DFB半导体激光器为QCL量子级联激光器或ICL带间级联激光器。
[0014]进一步地，所述光束传输结构包括准直透镜、反射镜和光束合束镜，每个 DFB半导体激光器分别光学连接一个准直透镜，DFB半导体激光器发出的激光光束依次经准直透镜准直、反射镜转折和合束镜耦合后进入光学气体吸收腔。
[0015]进一步地，所述信号处理单元包括模拟开关、直接吸收电路、调制吸收电路和模拟数字转换器(ADC)；模拟开关用于对直接吸收电路和调制吸收电路的切换，ADC用于将信号进行转换后输出至控制单元。处理直接吸收信号时，模拟开关切换至直接吸收电路，进行低通滤波处理；处理调制吸收信号时，模拟开关切换至调制吸收电路，进行带通滤波和放大处理。
[0016]进一步地，所述控制单元包括激光器温度设定模块、低频扫描信号发生模块、高频扫描信号发生模块、电路切换模块、直接吸收浓度计算模块、调制吸收浓度计算模块、浓度输出判决模块和输出显示模块。
[0017]进一步地，激光器温度设定模块、低频扫描信号发生模块、高频扫描信号发生模块与每个DFB半导体激光器之间分别设有数字模拟转换器(DAC)和激光器驱动和温控电路。
[0018]一种多组分大量程激光气体分析方法，所述方法步骤如下：
[0019](1)控制单元驱动温度器使DFB半导体激光器达到工作温度，电流驱动器驱动一个DFB半导体激光器处于直接吸收状态，所述DFB半导体激光器发出的光信号由光束传输单元进入光学气体吸收腔，光信号经吸收后由光电探测器进行光电信号转换，直接吸收电信号输入至信号处理单元进行处理后输出至控制单元；
[0020](2)控制单元计算直接吸收浓度并判断透射率最小值是否大于95％，如果大于95％则进入步骤(3)，否则直接输出步骤(1)计算得到的浓度值；
[0021](3)控制单元控制电流驱动器驱动所述DFB半导体激光器处于调制吸收状态，信号处理单元处理光电探测器输出的调制吸收电信号并输出至控制单元，控制单元计算调制吸收浓度并作为被测气体的浓度；
[0022](4)重复步骤(1)
‑
(3)，分时依次完成剩余激光器下被测气体浓度分析。
[0023]有益效果
[0024]本专利技术提供的多组分大量程激光气体分析系统中，通过设置多个并联的激光器，可采用分时控制的方式触发不同波长的激光器，进而实现对不同气体的测量；通过设置电流驱动器使激光器存在直接吸收和调制吸收两种工作状态，直接吸收工作状态下可进行高浓度气体的检测，调制吸收工作状态下可进行低浓度气体的检测，进而实现大量程范围的分析。
[0025]本专利技术提供的多组分大量程激光气体分析系统中，将电流驱动器与控制单元相连，控制单元基于对透射率最小值的判决，控制电流驱动器使激光器处于不同的工作状态。
[0026]本专利技术提供的多组分大量程激光气体分析系统中，采用多个待测气体吸收波长输出的激光器时，光束分别通过准直透镜和光束合束镜将输出光束耦合到光学气体吸收腔中，形成共光路结构，实现多种气体的分析测量。
[0027]本专利技术提供的多组分大量程激光气体分析方法中，通过分时控制激光器的工作状
态，在选择测量某一气体时触发该气体测量所对应的激光器，并通过控制激光器的驱动信号的发生方式和光探测器输出电信号的信号处理方式，分别进行直接吸收和调制吸收，同时在信号接收处理时依次直接吸收浓度算法和调制吸收浓度算法判断量程范围，选择匹配量程的算法计算出气体浓度；实现多种组分气体大量程范围分析，提高动态范围和浓度检测准确性。
附图说明
[0028]图1为本专利技术所述多组分大量程激光气体分析系统的结构示意图。
具体实施方式
[0029]下面结合具体实施例对本专利技术作进一步详细的说明。
[0030]如图1所示，一种多组分大量程激光气体分析系统，包括两个以上的分布式反馈(DFB)半导体激光器、温控器、电流驱动器、光束传输单元、光学气体吸收腔、光电探测器、信号处理单元和控制单元；
[0031]每个DFB半导体激光器的中心波长分别对应不同被测气体的吸收峰值波长，两个以上DFB半导体激光器采用并联方式连接，光束传输单元分别与DFB 本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多组分大量程激光气体分析系统，其特征在于：包括两个以上的DFB半导体激光器、温控器、电流驱动器、光束传输单元、光学气体吸收腔、光电探测器、信号处理单元和控制单元；每个DFB半导体激光器的中心波长分别对应不同被测气体的吸收峰值波长，两个以上DFB半导体激光器采用并联方式连接，光束传输单元分别与DFB半导体激光器和光学气体吸收腔的入口光学连接，光学气体吸收腔的出口与光电探测器连接；每个DFB半导体激光器分别连接一个温控器和一个电流驱动器，所述温控器在控制单元的驱动下为DFB半导体激光器提供工作温度；所述电流驱动器驱动DFB半导体激光器处于直接吸收状态或调制吸收状态；信号处理单元，用于对光电探测器所输出的信号进行直接吸收处理或调制吸收处理；控制单元，基于所述处理后的信号计算被测气体的浓度。2.如权利要求1所述的一种多组分大量程激光气体分析系统，其特征在于：所述电流驱动器与控制单元相连，在基于处理后的信号计算气体的透射率最小值大于95％时，控制电流驱动器驱动DFB半导体激光器由直接吸收状态转换成调制吸收状态。3.如权利要求1所述的一种多组分大量程激光气体分析系统，其特征在于：所述DFB半导体激光器为QCL量子级联激光器或ICL带间级联激光器。4.如权利要求1所述的一种多组分大量程激光气体分析系统，其特征在于：所述光束传输结构包括准直透镜、反射镜和光束合束镜，每个DFB半导体激光器分别光学连接一个准直透镜，DFB半导体激光器发出的激光光束依次经准直透镜准直、反射镜转折和合束镜耦合后进入光学气体吸收腔。5.如权利要求1所述的一种多组分大量程激光气体分析系统，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨凌，韩京，李航涛，路晓川，赵加鹏，王祥滨，杨申昊，候春彩，邓维，成俊娜，宁君宇，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一八研究所，
类型：发明
国别省市：