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[發明專利]一種基于VCSEL的低功耗氣體檢測方法及裝置有效

專利信息
申請號: 201210445860.7 申請日: 2012-11-09
公開(公告)號: CN102967580A 公開(公告)日: 2013-03-13
發明(設計)人: 李艷芳;劉統玉;魏玉賓;王昌;趙燕杰;張婷婷;趙維凇 申請(專利權)人: 山東微感光電子有限公司
主分類號: G01N21/39 分類號: G01N21/39
代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221 代理人: 張勇
地址: 250101 山東省*** 國省代碼: 山東;37
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摘要:
搜索關鍵詞: 一種 基于 vcsel 功耗 氣體 檢測 方法 裝置
【說明書】:

技術領域

本發明涉及一種光纖傳感領域,尤其涉及一種基于VCSEL的低功耗氣體檢測裝置及方法。

背景技術

隨著工農業生產技術的不斷發展,及時準確的對多種氣體進行監測已成為石油、化工、電力、煤礦安全等行業急需解決的重要問題。同時,隨著人民生活水平的不斷提高,人類對生態環境的要求也越來越高,迫切要求發展的同時注意保護環境,對環境進行監測治理。為此,研制氣體傳感器已成為當今傳感領域的一個重要課題。

出現在上世紀80年代的光纖氣體檢測技術是一種新型氣體檢測方法,它具有測量精度高、測量范圍大、傳輸距離遠、抗電磁干擾能力強、氣體選擇性好、使用壽命長等傳統氣體檢測方法不可比擬的優勢。尤其是隨著激光器技術的不斷發展,激光氣體傳感器得到了較大的發展。多個專利中都有所提及。但是其所述的方法中,DFB激光器或者VCSEL激光器,需要精確的溫度控制,其TEC控制器的功耗非常大,使得該類傳感器的功耗普遍較大,尤其是儀器的啟動電流非常大,有得甚至達到500mAs以上,致使該類傳感器很難做到煤礦井下本安參數的要求,不利于和現有基站等礦用設備直接聯機使用。這是阻止該類儀器在煤礦井下推廣使用的一個致命缺點。

中國專利“氣體檢測方法和氣體檢測裝置”所述的方光譜吸收法測氣體時光源需要精確控溫,由于光源都是采取TEC控溫,使得該測量方法實現起來功耗特別大。本申請去掉了TEC降低了功耗,同時提供了參考通道,提高了測量的精度。

發明內容

本發明的目的就是為了解決上述問題,提供一種基于VCSEL的低功耗氣體檢測裝置及方法,它具有低功耗實現氣體濃度檢測的優點。

為了實現上述目的,本發明采用如下技術方案:

一種基于VCSEL的低功耗氣體檢測裝置,包括溫度探測器件、VCSEL激光器、光路組件、光纖傳感探頭、參考探頭、光電探測器和功率參考探測器件;所述光路組件包括分路器和耦合器;所述溫度探測器件連接VCSEL激光器,所述VCSEL激光器連接光路組件的分路器,所述分路器連接第一耦合器的輸入端和第二耦合器的輸入端,所述第一耦合器的輸出端連接光纖傳感探頭,所述第一耦合器的返回端連接第一光電探測器;所述第二耦合器的輸出端連接參考探頭和功率參考探測器件;所述參考探頭連接第一光電探測器;所述功率參考探測器件是光電探測器,所述的VCSEL激光器發出的光經過光路組件進行隔離和分光后進入光纖傳感探頭、參考探頭和功率參考探測器件。

所述的VCSEL激光器是通過電流進行連續波長調制的激光器;所述VCSEL激光器采用不帶溫控模塊的VCSEL激光器,在驅動電流一定的情況下,VCSEL激光器的波長和環境溫度基本上成線性關系。

上述一種基于VCSEL的低功耗氣體檢測裝置所采用的工作方法,包括以下幾個工作步驟:

步驟(1):溫度探測器件測得環境的溫度;

步驟(2):根據步驟(1)測得的環境溫度值確定激光器發光的波長;

步驟(3):根據步驟(2)確定的激光器的波長,確定出現在掃描區域內的吸收峰的波長;

步驟(4):VCSEL激光器產生光,所述光的波長與光強、驅動電流、環境溫度成一定關系;

步驟(5):VCSEL激光器發出的光經光路組件到光纖傳感探頭、參考探頭和功率參考探測器件;

步驟(5-1):光源發出的光在光纖傳感探頭中得到一定程度的吸收,吸收強度和環境中待測氣體的濃度成一定的關系,光穿過光纖傳感探頭以后被第一光電探測器探測;

步驟(5-2):光源發出的光在參考探頭中得到固定的吸收,吸收的強度和參考氣室內氣體的濃度有關,光穿過參考探頭以后被第二光電探測器探測;

步驟(5-3):光源發出的光經分路器進入功率參考探測器件;

步驟(6):把步驟(5-1)和步驟(5-2)中第一光電探測器和第二光電探測器得到的探測信號分別和步驟(5-3)功率參考探測器件測得的功率參考信號相除,消除因光源的功率變化對測量結果造成的影響;

步驟(7):根據步驟(3)和步驟(6)確定吸收峰所在的整個掃描周期中的位置;

步驟(8):參考步驟(6)得到的消除因光源的功率變化對測量結果造成影響的帶有濃度信息的信號,參考步驟(7)中確定的吸收峰的位置,根據Beer-Lambert定律和參考探頭中的濃度信號做比較,測得待測氣體的濃度。

本發明的有益效果:

1.所述VCSEL激光器不使用溫度控制系統精確控制其波長,大大降低了傳感器的功耗;使得其在井下大面積推廣成為可能;

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