[发明专利]多模二极管激光吸收光谱技术监测甲烷气体浓度的装置及监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及二极管激光光谱应用技术领域。

背景技术

甲烷作为当今最主要的清洁能源之一，是天然气和煤层伴生气体瓦斯的主要成分，由于在空气中浓度为5％-15％时极易发生爆炸，故是工业生产和日常生活使用中的关注重点，对甲烷气体进行实时在线监测是对人们生命财产和人身安全的有效保障。

目前，甲烷气体测量技术可分为化学方法和光学方法。化学方以法催化燃烧法为主，虽然具有很高的测量精度，但探测器寿命短，易老化，测量范围小。光学方法以可调谐二极管激光光谱技术(TDLAS)最为实用。TDLAS技术的气体监测系统具有响应速度快，测量范围广，可实时在线监测的优势。目前，基于TDLAS技术的甲烷气体检测系统的光源大多采用1.6μm的单模二极管激光器为，由于TDLAS技术对光源的单模输出具有很高的要求，通常情况下都采用单模二极管激光器作为光源。然而，大多数单模激光器都是在多模激光器的基础之上进行更复杂的工艺得到的，不但成本提高，而且对激光器的维护要求也较为苛刻，大大降低了实用性。

甲烷气体在近红外1.3μm和1.6μm具有较强的吸收线，由于通讯的需求，位于此波段的多模激光器发展迅猛，激光器不但工艺成熟、寿命长、稳定性强、模式输出好、维护简单、而且价格低廉。为开发低成本的甲烷气体探测系统提供可能。

发明内容

本发明的目的是针对目前甲烷气体浓度监测装置和方法实用性差的间题，提供一种多模二极管激光吸收光谱技术监测甲烷气体浓度的装置及监测方法。

多模二极管激光吸收光谱技术监测甲烷浓度的装置，它包括信号发生器、二极管激光器温度电流控制器、多模二极管激光器、一号聚焦透镜、二号聚焦透镜、探测器、数据采集卡和计算机；

所述信号发生器用于同时产生频率为f₁的调制正弦波信号、频率为f₂的锯齿波信号和TTL触发信号，所述信号发生器的正弦波信号输出端连接二极管激光器温度电流控制器的正弦波信号输入端；

所述信号发生器的锯齿波信号输出端连接二极管激光器温度电流控制器的扫描锯齿波信号输入端，f₁为正整数，f₂为正整数；

所述信号发生器的TTL触发信号输出端连接数据采集卡的TTL触发信号输入端；

所述二极管激光器温度电流控制器的温度控制信号输出端连接多模二极管激光器的温度控制信号输入端；

所述二极管激光器温度电流控制器的电流控制信号输出端连接多模二极管激光器的电流控制信号输入端；

多模二极管激光器发射的激光束经一号聚焦透镜会聚后入射至待测气体中，经该待测气体透射之后的光束入射至二号聚焦透镜上，透过二号聚焦透镜的光会聚至探测器的光敏面上；探测器的电信号输出端连接数据采集卡的采样信号输入端，数据采集卡通过PCI接口与计算机相连；所述一号聚焦透镜与二号聚焦透镜为同一型号的聚焦透镜；

所述一号聚焦透镜与二号聚焦透镜之间的距离为L。

多模二极管激光吸收光谱技术监测甲烷浓度的装置的监测方法，该方法的实现过程为：

首先，信号发生器输出正弦波信号通过二极管激光器温度电流控制器加载至多模二极管激光器的注入电流中，控制多模二极管激光器的工作电流，对多模二极管激光器的输出光强进行调制；

信号发生器输出锯齿波信号通过二极管激光器温度电流控制器加载至多模二极管激光器的注入电流中，控制多模二极管激光器的工作工作电流，对多模二极管激光器的输出光强进行调谐；二极管激光器的温度由二极管激光器温度电流控制器的温度控制功能直接控制；通过对多模二极管激光器输出的工作温度及工作电流的调节，使得多模二极管激光器输出的中心波长能完整地扫描未知甲烷气体浓度空气中甲烷气体的吸收线；

信号发生器产生TTL触发信号触发数据采集卡；

然后，多模二极管激光器输出激光束，探测器采集光信号，

数据采集卡采集探测器输出的电信号，并通过PCI接口输入到计算机进行处理；

最后，计算机根据Beer-Lambert定律计算反演出甲烷气体的浓度；

N_s＝A_s(ω₀)N_r/A_r(ω₀)，