[發(fā)明專利]一種基于VCSEL的低功耗氣體檢測方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210445860.7
• 申請日: 2012-11-09
• 公開（公告）號(hào): CN102967580A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李艷芳;劉統(tǒng)玉;魏玉賓;王昌;趙燕杰;張婷婷;趙維凇
• 申請（專利權(quán)）人: 山東微感光電子有限公司
• 主分類號(hào): G01N21/39
• 分類號(hào): G01N21/39
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光纖傳感領(lǐng)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(shù)

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，及時(shí)準(zhǔn)確的對多種氣體進(jìn)行監(jiān)測已成為石油、化工、電力、煤礦安全等行業(yè)急需解決的重要問題。同時(shí)，隨著人民生活水平的不斷提高，人類對生態(tài)環(huán)境的要求也越來越高，迫切要求發(fā)展的同時(shí)注意保護(hù)環(huán)境，對環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測治理。為此，研制氣體傳感器已成為當(dāng)今傳感領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。

出現(xiàn)在上世紀(jì)80年代的光纖氣體檢測技術(shù)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(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、氣體選擇性好、使用壽命長等傳統(tǒng)氣體檢測方法不可比擬的優(yōu)勢。尤其是隨著激光器技術(shù)的不斷發(fā)展，激光氣體傳感器得到了較大的發(fā)展。多個(gè)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(dòng)電流非常大，有得甚至達(dá)到500mAs以上，致使該類傳感器很難做到煤礦井下本安參數(shù)的要求，不利于和現(xiàn)有基站等礦用設(shè)備直接聯(lián)機(jī)使用。這是阻止該類儀器在煤礦井下推廣使用的一個(gè)致命缺點(diǎn)。

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(shí)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(shí)現(xiàn)起來功耗特別大。本申請去掉了TEC降低了功耗，同時(shí)提供了參考通道，提高了測量的精度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)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(shí)現(xiàn)氣體濃度檢測的優(yōu)點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)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(fā)出的光經(jīng)過光路組件進(jìn)行隔離和分光后進(jìn)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(jìn)行連續(xù)波長調(diào)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(qū)動(dòng)電流一定的情況下，VCSEL激光器的波長和環(huán)境溫度基本上成線性關(guān)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(gè)工作步驟：

步驟（1）：溫度探測器件測得環(huán)境的溫度；

步驟（2）：根據(jù)步驟（1）測得的環(huán)境溫度值確定激光器發(fā)光的波長；

步驟（3）：根據(jù)步驟（2）確定的激光器的波長，確定出現(xiàn)在掃描區(qū)域內(nèi)的吸收峰的波長；

步驟（4）：VCSEL激光器產(chǎn)生光，所述光的波長與光強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)電流、環(huán)境溫度成一定關(guān)系；

步驟（5）：VCSEL激光器發(fā)出的光經(jīng)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(fā)出的光在光纖傳感探頭中得到一定程度的吸收，吸收強(qiáng)度和環(huán)境中待測氣體的濃度成一定的關(guān)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(fā)出的光在參考探頭中得到固定的吸收，吸收的強(qiáng)度和參考?xì)馐覂?nèi)氣體的濃度有關(guān)，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(fā)出的光經(jīng)分路器進(jìn)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(hào)分別和步驟（5-3）功率參考探測器件測得的功率參考信號(hào)相除，消除因光源的功率變化對測量結(jié)果造成的影響；

步驟（7）：根據(jù)步驟（3）和步驟（6）確定吸收峰所在的整個(gè)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(jié)果造成影響的帶有濃度信息的信號(hào)，參考步驟（7）中確定的吸收峰的位置，根據(jù)Beer-Lambert定律和參考探頭中的濃度信號(hào)做比較，測得待測氣體的濃度。

本發(fā)明的有益效果：

1.所述VCSEL激光器不使用溫度控制系統(tǒng)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；