一種半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明是一種半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測方法及裝置，通過溫控器和可調恒流源驅動半導體激光器，掃描信號源產生掃描控制信號注入溫控器實現溫度連續變化，驅動半導體激光器輸出波長連續變化的激光，輸出激光分兩路，一路激光與另一路經氣體吸收池的激光共同被平衡探測器接收，掃描信號源同步觸發數據采集卡采集平衡探測器輸出信號后輸入計算機處理，給出多組份檢測結果。本發明拓展了半導體激光器連續輸出波長的范圍，解決了電流驅動激光器輸出波長范圍窄，檢測氣體種類單一的缺陷，提供了一種單支半導體激光器實現多種氣體同時檢測的方法和裝置。降低了多組份氣體檢測的成本，提高了檢測效率和可靠性，用于各種氣體的監測和檢測行業。
【專利說明】一種半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測方法及裝置
技術領 域:
[0001]本發明屬于光學和光譜學【技術領域】，主要涉及半導體激光器調制光譜的實現方法和結構，具體是一種半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測方法及裝置。應用于氣體檢測和氣體吸收光譜分析等領域。
【背景技術】:
[0002]氣體檢測通常使用到紅外吸收光譜技術。紅外吸收光譜技術使用紅外光作為檢測光源。半導體激光器具有的體積小、單色性好和波長連續可調等特點，使其成為紅外吸收光譜技術中普遍采用的光源器件。
[0003]半導體激光器進行氣體檢測使用波長調制光譜方法。波長調制是指利用電流連續變化驅動半導體激光器輸出波長連續可變的激光。采用雙頻電流驅動半導體激光器可進一步提高氣體檢測的靈敏度。電流驅動激光器的連續輸出波長范圍是有限的。在雙頻電流驅動下這種輸出波長范圍進一步的縮小。利用電流連續變化驅動的半導體激光器一般僅能用于一種氣體檢測。實現多組份氣體的檢測就需要多支半導體激光器和相應數量的電流驅動電子線路。具體的半導體激光器的數量取決于檢測氣體組份的多少。就成本和系統穩定性而言，利用電流驅動的半導體激光器吸收光譜技術實現多組份氣體檢測存在成本高昂的缺點，使半導體激光光譜氣體檢測技術的應用受到限制。量子級聯半導體激光器吸收光譜技術可實現高精度多組份氣體檢測，但量子級聯半導體激光器造價昂貴，目前僅用于實驗研究。
[0004]已報道文獻和專利中，關于半導體激光器吸收光譜多組份氣體檢測技術較少。專利文獻(US8155890)提出了一種汽車尾氣成分的半導體激光吸收光譜檢測方法及裝置，該方法使用一支半導體激光器進行一種成分的檢測，多種氣體成分檢測則需要多支激光器，相應的驅動和接收電路也要相應成倍增加，造成利用半導體激光光譜方法進行多組分氣體檢測存在電路結構繁復、成本高、調試困難和體積大等劣勢，進而使用于氣體高精度檢測的半導體激光光譜方法在實際使用中受到限制。
[0005]本發明 申請人:在互聯網上就本主題，在國內外專利文獻和公開發表的期刊論文檢索，尚未發現與本發明密切相關和一樣的報道或文獻。
【發明內容】
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[0006]本發明的目的是為了解決現有技術存在的半導體激光器一般僅能用于一種氣體檢測的問題，提出了一種采用溫度調制光譜掃描，掃描光譜范圍寬，造價低，可靠性高，用單支半導體激光器實現多種氣體同時檢測的半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測方法及
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[0007]下面對本發明進行說明:
[0008]本發明是一種半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測裝置，包括有:配有熱電制冷器的半導體激光器、恒流源、溫控器、掃描信號源、氣體吸收池、平衡探測器、信號采集卡和計算機，半導體激光器輸出的激光經分波片分成兩路激光，其中一路直接被平衡探測器接收，其中的另一路入射氣體吸收池，經氣體吸收池中氣體吸收后出射，被平衡探測器接收，經平衡探測器輸出的電信號，進而由信號采集卡和計算機進行分析和給出氣體檢測結果，半導體激光器同時接有溫控器和恒流源，本發明的氣體檢測裝置為溫度參與半導體激光器輸出激光頻率調諧控制的半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測裝置，半導體激光器同時接有溫控器和恒流源，掃描信號源同時與溫控器和數據采集卡相連，掃描信號源一路輸出的信號送給溫控器，掃描信號源產生的另一路同步信號控制信號采集卡對平衡探測器的信息采集，通過信號采集卡輸出的光譜信息，送入計算機中進行處理分析，完成多組份的氣體檢測。本發明利用溫度連續變化驅動半導體激光器輸出波長連續變化的激光，大大拓展半導體激光器連續輸出波長的范圍，解決了電流連續驅動半導體激光器輸出波長范圍窄，一支激光器僅能用于一種氣體檢測的缺陷，提供了一種光譜掃描范圍寬，單支半導體激光器實現多種氣體同時檢測的半導體激光光譜氣體檢測裝置。
[0009]本發明的實現還在于:半導體激光器輸出的激光波長是連續變化的波長，激光波長連續變化是通過溫控器控制半導體激光器的工作溫度連續變化而形成的。溫控器通過改變接在半導體激光器內部的熱電制冷器件的電流實現溫度控制，溫控器在掃描信號源信號控制下形成連續變化的溫度控制信號，進而控制半導體激光器輸出頻率連續變化的激光。
[0010]本發明還是一種半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測方法，采用溫度變化和恒流信號共同控制調制半導體激光器，其實現包括:
[0011](I)可調恒流源產生恒定電流注入半導體激光器，該恒定電流大于半導體激光器的閾值電流，使半導體激光器輸出波長恒定的激光。
[0012](2)溫控器在掃描信號源掃描信號控制下產生連續變化的溫度控制信號，控制半導體激光器，輸出波長連續變化的激光。
[0013](3)半導體激光器輸出的激光經分波片分成兩路激光，其中一路直接進入平衡探測器，另一路經過氣體吸收池后也進入平衡探測器，平衡探測器對接收的兩路光信號進行光電轉換和消除共模噪聲，平衡探測器輸出為兩路輸入信號的比值。
[0014](4)利用同一掃描信號源向數據采集卡發送同步信號，控制數據采集卡開始采集平衡探測器的輸出信號，同時掃描信號源向溫控器發送掃描信號。
[0015](5)在同步信號控制下經數據采集卡將從平衡探測器接收到的信號送入到計算機中進行與標定信號對比、分析、處理，得到被測氣體的種類及濃度數據，完成多組份氣體檢測。
[0016]本方法采用連續變化溫度控制半導體激光器輸出頻率連續變化的激光，有效地降低半導體激光器受連續變化電流驅動易受沖擊而造成的損害和失效風險，采用溫度控制驅動半導體激光器可以使輸出激光頻率的變化范圍遠遠大于電流變化驅動半導體激光器的頻率范圍，涵蓋更寬的氣體激光吸收光譜寬度，容納更多不同氣體成分的激光吸收光譜的重疊區域，進而采用該方法驅動控制單支半導體激光器對不同氣體成分的激光吸收光譜重疊區域掃描，實現多種氣體成分的識別和度量。本方法結合長光程光學吸收池通過光程數量級的成倍擴展提高檢測靈敏度，本發明還通過雙平衡探測器消除半導體激光器輸出的斜坡共模噪聲，進一步提高檢測精度。該方法可有效地改進電流驅動控制半導體激光光譜檢測方法所存在的問題，使用該方法形成的半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測裝置，相對于傳統的電流驅動半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測裝置具有電路結構單一、造價便宜、調試易行和體積小等優勢，可用于氣體高精度檢測，同時使半導體激光吸收光譜方法在實際的多組份氣體檢測應用中得到普及和工程化使用。
[0017]本發明的實現還在于:用于驅動溫控器的掃描信號或是斜坡信號，或是三角波信號，或者是梯形信號。掃描信號可以是根據控制需要選用多種形式的信號，不局限于一種，掃描信號選擇范圍寬，易于實現。
[0018]本發明相對現有技術而言，具有以下優點:
[0019]1.本發明利用控制半導體激光器的工作溫度連續變化，使半導體激光器輸出波長連續變化范圍更寬，可覆蓋多種氣體成分的激光吸收光譜交疊區域，從而實現使用單支半導體激光器對多種氣體同時檢測，簡化了裝置的構成和結構，大大降低了成本。
[0020]2.本發明利用控制半導體激光器的工作溫度連續變化，使半導體激光器輸出波長連續變化的激光，相對于電流調制驅動可大大擴展輸出掃描光譜的范圍；
[0021]3.本發明利用控制半導體激光器的工作溫度連續變化，驅動半導體激光器輸出波長連續變化的激光，使驅動電流恒定不變，而利用控制連續變化的溫度驅動半導體激光器工作可有效防止電流調制驅動擊穿半導體激光器的風險，提高了工作可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0022]圖1是本發明的檢測裝置原理框圖，也是本發明的構成示意圖；
[0023]圖2是本發明實例6實現CO、C02和02三種氣體檢測選擇的光譜吸收譜線；
[0024]圖3是本發明實例8平衡探測器接收一路經吸收池的激光信號；
[0025]圖4是本發明實例8平衡探測器接收一路未經吸收池的激光信號；
[0026]圖5是本發明實例8平衡探測器的輸出信號；
[0027]圖6是CO、C02和02三種氣體l_2um的光譜吸收譜線。
【具體實施方式】:
[0028]下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明:
[0029]實施例1:
[0030]本發明是一種半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測裝置，參見圖1，本發明的多組份氣體檢測裝置包括有:配有熱電制冷器的半導體激光器、恒流源、溫控器、掃描信號源、氣體吸收池、平衡探測器、信號采集卡和計算機，氣體吸收池采用White氣體吸收池。本發明中半導體激光器輸出的激光經分波片分成兩路激光，其中一路直接被平衡探測器接收，其中的另一路入射激光束入射進入氣體吸收池，氣體吸收池也稱為光學吸收池，入射激光束在氣體吸收池中多次折返經氣體吸收池中氣體吸收后出射，出射的激光束也被平衡探測器接收，經平衡探測器輸出的電信號，進而由信號采集卡和計算機進行分析和給出氣體檢測結果，完成多組份氣體的檢測。
[0031]本發明的氣體檢測裝置為溫度參與半導體激光器輸出激光頻率調諧控制的半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測裝置，本發明中半導體激光器同時接有溫控器和恒流源，掃描信號源同時與溫控器和數據采集卡相連，掃描信號源一路輸出的信號送給溫控器，掃描信號源產生的另一路與掃描信號同步的信號控制信號采集卡對平衡探測器的信息采集，通過信號采集卡輸出的激光吸收光譜信息，送入計算機，計算機中安裝專用處理軟件，在計算機中對采集數值進行處理分析，并給出分析結果。本發明中半導體激光器輸出的激光波長是連續變化的波長，激光波長連續變化是通過溫控器控制半導體激光器的工作溫度連續變化而形成的。現有技術中，通過恒流源輸出連續變化的電流，控制激光器輸出波長連續變化，本發明的激光器也接有恒流源，但本發明中首先固定恒流源的輸出，即將恒流源的輸出電流大于激光器閾值且恒定不變，在此基礎上由溫控器產生連續的控制溫度，控制激光器的輸出波長連續變化，根據需要，恒流源的輸出電流可以根據光譜檢測范圍變動重新調整電流和恒定。
[0032]本例中，半導體激光器采用調制半導體激光器，是以溫控器和可調恒流源共同控制，可調恒流源產生恒定電流注入半導體激光器，該恒定電流大于半導體激光器的閾值電流，閾值電流由生產廠商給出的技術指標。恒定電流使半導體激光器輸出波長恒定的激光，在此基礎上通過溫控器在掃描信號源控制信號控制下產生連續變化的溫度控制信號，控制半導體激光器波長連續變化。氣體吸收池采用長光程光學吸收池，平衡探測器是一種光電探測及轉換器，平衡探測器接收光信號，輸出為電信號，實現接收兩路光信號，并消除兩路光的共模成分后輸出電信號。本發明的激光波長連續變化是通過溫控器控制半導體激光器的工作溫度連續變化而形成的，激光波長連續變化是與溫度變化成線性增長關系，溫度越高波長越長。本發明的溫控器選用精度較高的溫控器，保證單位溫度變化下激光輸出波長變化小于0.1納米，通過電流信號接在半導體激光器的內部的熱電制冷器件實現控制，溫控器在掃描信號源信號控制下形成連續變化的溫度控制信號，進而控制半導體激光器輸出頻率連續變化的激光信號。本發明利用溫控器實現溫度連續變化驅動半導體激光器輸出波長連續變化的激光，拓展半導體激光器連續輸出波長的范圍，解決了電流連續驅動半導體激光器輸出波長范圍窄，單支半導體激光器實現多種氣體的光譜同時檢測。本發明利用控制半導體激光器的工作溫度連續變化，使半導體激光器輸出波長連續變化范圍更寬，可覆蓋多種氣體成分的激光吸收光譜交疊區域，從而使單支半導體激光器實現多種氣體檢測，簡化了裝置的構成和結構，大大降低了成本。
[0033]實施例2:
[0034]本發明半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測裝置的結構和組成同實施例1，參見圖2，現有技術中僅有電流驅動控制半導體激光器進行氣體檢測的裝置僅能實現如圖2中的一根譜線的檢測，要么是進行氧氣檢測，要么只能對二氧化碳進行檢測。而本發明拓展了半導體激光器連續輸出波長的范圍，解決了電流連續驅動半導體激光器輸出波長范圍窄的缺陷，用單支半導體激光器實現了多種氣體的光譜同時檢測，參見圖2，CO和02兩種氣體的吸收譜線間隔接近2nm，用電流調制驅動半導體激光器的輸出波長范圍僅能達到lnm，而采用本發明即溫度調制驅動半導體激光器的輸出波長范圍可達4nm，而且本發明利用溫度調制半導體激光輸出可以實現CO和02兩種氣體同時檢測，對于電流調制驅動而言是做不到的。本發明利用控制連續變化的溫度驅動半導體激光器工作可有效防止電流調制驅動擊穿半導體激光器的風險，提高了工作可靠性。
[0035]實施例3:
[0036]本發明還是一種半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測方法，該方法是在上述的半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測裝置實現，半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測裝置的結構和組成同實施例1-2，參見圖1，采用溫度變化和恒流信號共同控制調制半導體激光器，其實現包括:
[0037](I)可調恒流源產生恒定電流注入半導體激光器，該恒定電流大于半導體激光器的閾值電流，使半導體激光器輸出波長恒定的激光。激光器的閾值電流是出廠時已知的技術參數，只是需要保證可調恒流源產生恒定電流大于該閾值，保證激光器可靠工作。
[0038](2)溫控器在掃描信號源掃描信號控制下產生連續變化的溫度控制信號，也參與控制半導體激光器，激光器輸出波長連續變化的激光主要是受溫控器的控制，本例中，用于驅動溫控器的掃描信號是斜坡信號。
[0039](3)半導體激光器輸出的激光經分波片分成兩路激光，其中一路直接進入平衡探測器，另一路經過氣體吸收池后也進入平衡探測器，平衡探測器對接收的兩路光信號進行光電轉換和消除共模噪聲，平衡探測器輸出為兩路輸入信號的比值。
[0040](4)利用同一掃描信號源向數據采集卡發送同步信號，控制數據采集卡開始采集平衡探測器的輸出信號，同時掃描信號源向溫控器發送掃描信號。
[0041](5)在同步信號控制下經數據采集卡將從平衡探測器接收到的信號送入到計算機中進行與標定信號對比、分析、處理，得到被測氣體的種類及濃度數據，完成對多組份氣體的自動檢測。
[0042]本例中采用的掃描控制信號是斜坡信號。
[0043]本發明使用溫度調制驅動，用掃描信號源輸出一個控制信號和一個同步信號，同步信號提供給數據采集卡，控制信號提供給溫控器，溫控器根據控制信號控制半導體激光器的工作溫度連續變化，連續變化溫度控制半導體激光器輸出波長連續變化的激光，波長連續變化的激光通過待檢氣體后被光電探測器接收，經同步信號控制下經數據采集卡接收送入到計算機中進行處理，得到被測氣體的種類及濃度數據。
[0044]本發明利用控制半導體激光器的工作溫度連續變化，驅動半導體激光器輸出波長連續變化的激光，使驅動電流恒定不變，而利用控制連續變化的溫度驅動半導體激光器工作可有效防止電流調制驅動擊穿半導體激光器的風險，提高了工作可靠性。
[0045]實施例4:
[0046]半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測方法和半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測裝置的結構和組成同實施例1-3，本例中，氣體吸收池采用Herriotte氣體吸收池。用于驅動溫控器的掃描信號是三角波信號。
[0047]本例中，激光器波長輸出范圍要求為4nm，激光器波長的溫度調諧系數為
0.lnm/°C，要實現激光器激光輸出范圍達到4nm，溫度器控制變化范圍40°C。
[0048]精度較高的溫控器采用日本東芝公司htcl500專用溫控芯片為核心，附加限流、傳感器接口和溫度設置及測試電路，該溫控電路溫控精度可達0.002°C，通過附加的溫度設置接口能夠方便地對激光器的半導體制冷片(TEC)進行溫度調制和控制。
[0049]本例中采用的掃描控制信號是三角波信號。
[0050]本發明利用溫控實現溫度連續變化驅動半導體激光器輸出波長連續變化的激光，大大拓展半導體激光器連續輸出波長的范圍，解決了電流連續驅動半導體激光器輸出波長范圍窄(小于Inm),僅能用于一種氣體檢測的缺陷,提供了一種光譜掃描范圍寬,波長掃描寬度可達4nm，單支半導體激光器實現多種氣體同時檢測的半導體激光光譜氣體檢測方法。本發明大大降低了半導體激光光譜多組份氣體檢測的成本，提高了檢測效率和系統可靠性，本發明應用于各種氣體的監測和檢測行業，應用于需要對氣體進行檢測和監測工作環境。
[0051]實施例5:
[0052]半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測方法和半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測裝置的結構和組成同實施例1-4，
[0053]本發明是一種半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測方法，由掃描信號源同時提供一掃描控制信號和一同步信號，該掃描控制信號提供給溫控器以控制半導體激光器的工作溫度，通過工作溫度的變化控制半導體激光器的輸出波長連續變化，半導體激光器發出一定波長范圍的激光分成兩路，一路直接被平衡探測器接收，另一路經氣體吸收池后也被平衡探測器接收，平衡探測器輸出的電信號經同步信號控制的數據采集卡采集后送入計算機進行處理。
[0054]本發明采用的半導體激光器是一種調制半導體激光器，它由可調恒流源輸出的恒定電流驅動，輸出恒定波長的激光，在此基礎上，采用半導體激光器由溫控器和可調恒流源共同控制。其中，可調恒流源通過給半導體激光器注入恒定電流使激光器輸出恒定波長的激光，該恒定電流大于半導體激光器的閾值電流。溫控器通過半導體激光器內部的熱電制冷器控制半導體激光器的工作溫度，溫控器在掃描信號源輸入的掃描控制信號作用下，控制激光器內部的熱電制冷器使半導體激光器的工作溫度連續變化，對半導體激光器輸出的波長進行調制，因此，激光波長的連續變化是通過溫控器控制半導體激光器的工作溫度連續變化而形成的。
[0055]如果因為檢測氣體種類的變化，引起掃描光譜范圍的偏移，可以對恒流源的恒定值進行調整，以滿足氣體檢測的需求。
[0056]本發明的待檢氣體組份可以是位于White氣體吸收池或者Herriotte氣體吸收池內，也可以是位于開放式的光路中。
[0057]本發明中的光電探測器是一種平衡探測器，可同時實現兩路光信號的光電轉換，并實現兩路光信號共模成份的消除。
[0058]本發明采用的掃描控制信號或是斜坡信號，或是三角波信號或是梯形信號，本例中采用的掃描控制信號是梯形信號。輸入溫控器控制半導體的工作溫度。同步信號為脈沖信號或電平信號，控制數據采集卡進行數據采集，該同步信號在時間軸上位于掃描控制信號的開始時間。掃描控制信號與同步信號的周期相同。
[0059]實施例6:
[0060]半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測方法和半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測裝置的結構和組成同實施例1-5，
[0061]本發明涉及一種半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測方法及裝置?；诒景l明的多組份氣體檢測不限于實例中說明的三種氣體組份的檢測，還能夠實現對四組份氣體、五組份氣體等等，甚至更多的氣體組份進行檢測。氣體組份檢測的數量依賴于檢測氣體組份的吸收光譜。以CO、C02和02三種氣體組份檢測為例，結合附圖和實例對本發明再做詳細說明。
[0062]本發明的檢測方法具體包括有如下步驟:[0063]根據檢測的多組份氣體種類查找紅外光譜數據庫(例如:hitran和VPL光譜數據庫)，以同時檢測C0、C02和02三種氣體組份為例，圖6給出了 C0、C02和02三種氣體l_2um的近紅外光吸收譜線，選擇三種氣體近紅外光吸收譜線的交疊區域1.24-1.26um，將該區域局部放大后的三種氣體近紅外吸收譜線如圖2所示，圖2顯示出通過查找出CO、C02和02三種氣體單獨相鄰的三根吸收譜線，圖中實心圓為CO譜線，實心五角表示C02譜線，實心矩形表示02譜線，三根譜線的跨越范圍為1.5nm，考慮到氣體吸收譜線的寬度，掃描的光譜范圍為1.8nm。
[0064]由可調恒流源產生一恒定電流，注入到半導體激光器中，恒流值通常在100mA，參見圖1，使其輸出波長恒定的激光，恒定電流應大于半導體激光器的閾值電流。恒定電流的數值應使半導體激光器輸出波長在涵蓋所檢測多組份氣體總的光譜范圍，參見圖2，本例中半導體激光器起始輸出波長可以選定在三種被檢測氣體總吸收光譜范圍的右端、中間或左端，具體可根據需要選擇其中一種方式，具體數值根據半導體激光器的電流技術指標選擇。
[0065]掃描信號源產生一路掃描控制信號和一路同步信號，掃描信號源產生的掃描控制信號為低頻斜坡信號、低頻三角波信號或是低頻梯形信號，本例中掃描控制信號為低頻斜坡信號，該信號作為溫控器的輸入信號，使溫控器控制半導體激光器內的熱電制冷器產生連續變化的溫度，使半導體激光器輸出激光波長連續變化。
[0066]實施例7:
[0067]半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測方法和半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測裝置的結構和組成同實施例1-6，其中，掃描控制信號為低頻三角波信號。三角形狀具有對稱的斜邊，采用三角波作為掃描控制信號可以加快掃描速度，提高激光吸收光譜信號的信噪比。
[0068]無論低頻斜坡信號，還是低頻三角波信號，其斜率由半導體激光器的溫度調制技術指標決定，以htcl500芯片為例，其溫度調制傳遞函數為20°C /V，如要改變調制溫度，只需要改變溫度設置接口的電壓即可，具體改變值依據溫度調制傳遞函數。
[0069]實施例8:
[0070]半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測方法和半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測裝置的結構和組成同實施例1-7，其中，掃描控制信號為低頻梯形信號。
[0071]半導體激光器經溫度調制后，輸出波長在一定范圍內周期性連續變化，出射的激光經分波片，或經分波光纖，分成兩路，一路進入包含待測氣體組份的氣體吸收池，在氣體吸收池多次折返，經待測氣體組份吸收后出射的激光被平衡探測器接收，另一路激光直接被平衡探測器接收，平衡探測器將該兩路激光信號轉換成電信號并消除兩路信號的共模成份輸出。平衡探測器為兩路輸入和一路輸出的光電轉換器，該儀器對兩路光電探測器產生的微弱光電流進行比較去除共模噪聲，并進行跨阻抗電流電壓轉換放大后輸出。
[0072]掃描信號源產生的同步信號控制數據采集卡采集平衡探測器的輸出信號，并送入計算機進行數據分析處理，得出多組份的組成及含量檢測結果。
[0073]如圖1所示，本發明的半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測裝置，包括:半導體激光器、溫控器、可調恒流源、掃描信號源、分波片、氣體吸收池、平衡探測器、信號采集卡和計算機。掃描信號源與溫控器和數據采集卡相連，溫控器和可調恒流源與半導體激光器相連，半導體激光器輸出的激光經分波片分成兩路激光，一路入射氣體吸收池，經氣體吸收池中氣體吸收后出射被平衡探測器接收，一路也被平衡探測器接收，圖3所示為經過氣體吸收池被平衡探測器接收的光電信號，該信號在斜坡本底的基礎上存在3個吸收峰，分別對應02、C02和CO的吸收，因為三種氣體的吸收系數不等，吸收信號呈現出不同的強度，圖4所示為另一路激光被平衡探測器直接接收的信號，該信號因沒有氣體吸收而沒有吸收峰，但存在與圖3相同的斜坡本底，兩路信號都具有相同的斜坡本底，經平衡探測器去除兩路信號相同的斜坡本底共模成份，平衡探測器得到如圖5所示的光譜吸收信號，該光譜吸收信號已經消除了如圖4所示的激光斜坡本底，提高了信號的信噪比，該信號經數據采集卡采集后送入計算機處理。
[0074]掃描信號源產生的同步信號控制信號采集卡采集平衡探測器輸出的光譜信號，送入計算機中進行數字濾波、溫度補償和氣體組份類別識別及濃度信息定標等處理，得到被測氣體的種類及濃度數據。
[0075]本發明利用溫控實現溫度連續變化控制半導體激光器輸出波長連續變化的激光，大大拓展半導體激光器連續輸出波長的范圍，解決了電流連續驅動半導體激光器輸出波長范圍窄，一支半導體激光器僅能用于一種氣體檢測的缺陷，提供了一種光譜掃描范圍寬，單支半導體激光器實現多種氣體同時檢測的半導體激光光譜氣體檢測方法。本發明減少了多組份氣體檢測激光器使用的數量，大大降低了半導體激光光譜多組份氣體檢測的成本，提高了檢測效率和系統可靠性，本發明廣泛應用于氣體檢測行業和光譜分析領域。
[0076]本發明是一種半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測方法及裝置，主要用于多組份氣體的檢測，基于該方法形成的一種半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測裝置通過溫控器和可調恒流源驅動半導體激光器工作，利用掃描信號源產生的掃描控制信號注入溫控器實現溫度連續變化，從而驅動半導體激光器輸出波長連續變化的激光，半導體激光器輸出的激光經分波片分為兩路光束，一路光束經過氣體吸收池與另一路光束共同被平衡探測器接收，掃描信號源同步觸發數據采集卡采集平衡探測器輸出的信號輸入計算機進行處理。本發明利用溫控器實現溫度連續變化驅動半導體激光器輸出波長連續變化的激光，大大拓展了半導體激光器連續輸出波長的范圍，解決了電流連續驅動半導體激光器輸出波長范圍窄，一支激光器僅能用于一種氣體檢測的缺陷，提供了一種光譜掃描范圍寬，單支半導體激光器實現多種氣體同時檢測的半導體激光光譜氣體檢測方法。本發明大大降低了半導體激光光譜多組份氣體檢測的成本，提高了檢測效率和系統可靠性，本發明應用于各種氣體的監測和檢測行業，應用于需要對氣體進行檢測和監測工作環境。
【權利要求】
1.一種半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測裝置，包括有:配有熱電制冷器的半導體激光器、恒流源、溫控器、掃描信號源、氣體吸收池、平衡探測器、信號采集卡和計算機，所述半導體激光器輸出的激光經分波片分成兩路激光，其中一路直接被平衡探測器接收，其中的另一路入射氣體吸收池，經氣體吸收池中氣體吸收后出射，也被平衡探測器接收，經平衡探測器輸出的電信號，進而由信號采集卡和計算機進行分析和給出氣體檢測結果，半導體激光器同時接有溫控器和恒流源，其特征在于:所述氣體檢測裝置為溫度參與半導體激光器輸出激光頻率調諧控制的半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測裝置，所述的掃描信號源同時與溫控器和數據米集卡相連，掃描信號源一路輸出的信號送給溫控器，掃描信號源產生的另一路同步信號控制信號采集卡對平衡探測器的信息采集，通過信號采集卡輸出的光譜信息，送入計算機中進行處理分析，完成氣體檢測。
2.根據權利要求1所述的半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測裝置，其特征在于:所述半導體激光器輸出的激光波長是連續變化的波長，激光波長連續變化是通過溫控器控制半導體激光器的工作溫度連續變化而形成的。
3.一種半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測方法，其特征在于:采用溫度變化和恒流信號共同控制調制半導體激光器，其實現包括: (1)可調恒流源產生恒定電流注入半導體激光器，該恒定電流大于半導體激光器的閾值電流，使半導體激光器輸出波長恒定的激光； (2)溫控器在掃描信號源掃描信號控制下產生連續變化的溫度，控制半導體激光器，輸出波長連續變化的激光； (3)半導體激光器輸出的激光經分波片分成兩路激光，其中一路直接進入平衡探測器，另一路經過氣體吸收池后也進入平衡探測器，平衡探測器對接收的兩路光信號進行光電轉換和消除共模噪聲，平衡探測器輸出為兩路輸入信號的比值； (4)利用同一掃描信號源向數據采集卡發送同步信號，控制數據采集卡開始采集平衡探測器的輸出信號； (5)在同步信號控制下經數據采集卡將從平衡探測器接收到的信號送入到計算機中進行與標定信號對比、分析、處理，得到被測氣體的種類及濃度數據，完成氣體檢測。
4.根據權利要求3所述的半導體激光器調制光譜多組份氣體檢測方法，其特征在于:用于驅動溫控器的掃描信號或是斜坡信號，或是三角波信號，或者是梯形信號。
【文檔編號】G01N21/39GK103728270SQ201310755908
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月29日 優先權日:2013年12月29日
【發明者】常岐海, 管江紅 申請人:西藏民族學院
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