[發明專利]用于氣體檢測的可調諧激光器半波掃描控制方法及系統

有效

• 申請號: 201910647145.3
• 申請日: 2019-07-17
• 公開（公告）號: CN110361360B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 司馬朝坦;袁康;蔡一諾;王雪放;汪超林;史新航;馮仲帥;張瑞罡;唐浩程;魯平;劉德明
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青;李智

本發明公開了一種用于氣體檢測的可調諧激光器半波掃描控制方法及系統，作用于待測氣體的掃描信號采用三角波，當掃描信號處于頂點時，可調諧激光器的輸出波長位于待測氣體的吸收中心波長處，將調制信號加載到掃描信號上得到疊加信號，作用于可調諧激光器產生激光，入射到氣室，將氣室出射的光信號轉化為電信號，再將電信號經過數據處理得到攜帶有氣體濃度信息的二次諧波，通過提取所述二次諧波的強度變化，實現氣體濃度的檢測。本發明提供的半波掃描與傳統掃描相比，在同周期內僅測到一組二次諧波，不會出現兩組二次諧波，避免了吸收峰交疊的現象，便于觀察氣體譜線線型變化以及對譜線半高寬的測量，從而實現對氣體的溫度和壓強變化檢測。

技術領域

本發明屬于氣體檢測技術領域，更具體地，涉及一種用于氣體檢測的可調諧激光器半波掃描控制方法及系統。

背景技術

可調諧激光氣體吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技術一般利用低頻的鋸齒波或三角波作為掃描信號，在掃描信號上加載高頻正弦調制信號以驅動窄線寬可調諧激光器，產生的激光通過待測氣體，氣體對于不同波長的光吸收強度不同，因此輸出的激光強度會隨著激光波長的改變而變化。通過提取激光強度變化中的二次諧波信號，可以得到與氣體濃度相關的信息。在2000年，T.nakaya Iseki等人就已經實現了利用1.66μm的DFB激光器實現大氣中甲烷濃度的連續測量。而在國內，哈爾濱工程大學張可可在《光譜吸收式光纖氣體檢測理論及技術研究》一文中分析了二次諧波的檢測原理，并得出在氣體吸收線中心頻率處，二次諧波的幅值與待測氣體的濃度成正比。

傳統的TDLAS技術中激光器輸出波長對準氣體吸收峰的中心波長位置，通過完整掃描覆蓋整條吸收譜信息，但實際上，常用的諧波檢測法中只有二次諧波的峰值與待測氣體濃度直接相關，其余旁瓣處的掃描過程對氣體濃度的測量沒有提供實用信息，反而增加系統的掃描時間間和數據量。此外，在二次諧波檢測中，一個采樣周期內來回需要對吸收峰采樣兩次，采樣過程重復，而且二次諧波容易受到環境的干擾，一個采樣周期出現兩個吸收峰容易引起吸收峰的交疊。另一方面，激光器光源溫度、待測氣體環境溫度和待測氣體環境壓強的變化都會影響氣體檢測的準確度。光源溫度變化是影響激光器穩定工作的關鍵因素之一，直接影響氣體濃度信息檢測的準確性和有效性。待測氣體環境溫度變化會導致氣體吸收峰的漂移。傳統的TDLAS技術通過三角波或鋸齒波掃描的方法來解決光源波長漂移后無法對準氣體吸收線的漂移問題，但是不能實時反映出待測氣體環境溫度的具體變化量，對于氣體環境壓強信息也無法感知，還有可能出現多氣體檢測時由于吸收峰串擾而產生氣體交叉干擾。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種用于氣體檢測的可調諧激光器半波掃描控制方法及系統，旨在解決現有氣體的溫度和壓強測量準確率低的問題。

為實現上述目的，按照本發明的一方面，提供了一種用于氣體檢測的可調諧激光器半波掃描控制方法，包括掃描信號采用低頻三角波，且掃描信號在頂點時可調諧激光器輸出波長位于待測氣體的吸收中心波長處，將調制信號加載到所述掃描信號上，疊加的信號作用于可調諧激光器產生的激光通過待測氣體，氣體對于不同波長的光吸收強度不同，因此輸出的激光強度會隨著激光波長的改變而變化，通過提取激光強度變化中的二次諧波，可以得到氣體相關的信息。

優選地，調制信號為高頻正弦波信號。

本發明定義全波掃描為激光器輸出波長范圍的中心值對準氣體吸收峰的中心波長，三角波由于在上升沿疊加高頻正弦信號，在相同檢測周期內能檢測到一個峰值信息。三角波兩側都疊加高頻正弦信號，因此在相同周期能夠等距檢測到兩個二次諧波峰值信息，這是目前TDLAS測量氣體濃度最常用的方法之一。

本發明定義半波掃描為激光器輸出波長的掃描范圍最大值與氣體吸收峰中心波長嚴格對準，在三角波一個掃描周期內恰好出現一個吸收峰。