[发明专利]一种基于VCSEL的低功耗气体检测方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤传感领域，尤其涉及一种基于VCSEL的低功耗气体检测装置及方法。

背景技术

随着工农业生产技术的不断发展，及时准确的对多种气体进行监测已成为石油、化工、电力、煤矿安全等行业急需解决的重要问题。同时，随着人民生活水平的不断提高，人类对生态环境的要求也越来越高，迫切要求发展的同时注意保护环境，对环境进行监测治理。为此，研制气体传感器已成为当今传感领域的一个重要课题。

出现在上世纪80年代的光纤气体检测技术是一种新型气体检测方法，它具有测量精度高、测量范围大、传输距离远、抗电磁干扰能力强、气体选择性好、使用寿命长等传统气体检测方法不可比拟的优势。尤其是随着激光器技术的不断发展，激光气体传感器得到了较大的发展。多个专利中都有所提及。但是其所述的方法中，DFB激光器或者VCSEL激光器，需要精确的温度控制，其TEC控制器的功耗非常大，使得该类传感器的功耗普遍较大，尤其是仪器的启动电流非常大，有得甚至达到500mAs以上，致使该类传感器很难做到煤矿井下本安参数的要求，不利于和现有基站等矿用设备直接联机使用。这是阻止该类仪器在煤矿井下推广使用的一个致命缺点。

中国专利“气体检测方法和气体检测装置”所述的方光谱吸收法测气体时光源需要精确控温，由于光源都是采取TEC控温，使得该测量方法实现起来功耗特别大。本申请去掉了TEC降低了功耗，同时提供了参考通道，提高了测量的精度。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于VCSEL的低功耗气体检测装置及方法，它具有低功耗实现气体浓度检测的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于VCSEL的低功耗气体检测装置，包括温度探测器件、VCSEL激光器、光路组件、光纤传感探头、参考探头、光电探测器和功率参考探测器件；所述光路组件包括分路器和耦合器；所述温度探测器件连接VCSEL激光器，所述VCSEL激光器连接光路组件的分路器，所述分路器连接第一耦合器的输入端和第二耦合器的输入端，所述第一耦合器的输出端连接光纤传感探头，所述第一耦合器的返回端连接第一光电探测器；所述第二耦合器的输出端连接参考探头和功率参考探测器件；所述参考探头连接第一光电探测器；所述功率参考探测器件是光电探测器，所述的VCSEL激光器发出的光经过光路组件进行隔离和分光后进入光纤传感探头、参考探头和功率参考探测器件。

所述的VCSEL激光器是通过电流进行连续波长调制的激光器；所述VCSEL激光器采用不带温控模块的VCSEL激光器，在驱动电流一定的情况下，VCSEL激光器的波长和环境温度基本上成线性关系。

上述一种基于VCSEL的低功耗气体检测装置所采用的工作方法，包括以下几个工作步骤：

步骤（1）：温度探测器件测得环境的温度；

步骤（2）：根据步骤（1）测得的环境温度值确定激光器发光的波长；

步骤（3）：根据步骤（2）确定的激光器的波长，确定出现在扫描区域内的吸收峰的波长；

步骤（4）：VCSEL激光器产生光，所述光的波长与光强、驱动电流、环境温度成一定关系；

步骤（5）：VCSEL激光器发出的光经光路组件到光纤传感探头、参考探头和功率参考探测器件；

步骤（5-1）：光源发出的光在光纤传感探头中得到一定程度的吸收，吸收强度和环境中待测气体的浓度成一定的关系，光穿过光纤传感探头以后被第一光电探测器探测；

步骤（5-2）：光源发出的光在参考探头中得到固定的吸收，吸收的强度和参考气室内气体的浓度有关，光穿过参考探头以后被第二光电探测器探测；

步骤（5-3）：光源发出的光经分路器进入功率参考探测器件；

步骤（6）：把步骤（5-1）和步骤（5-2）中第一光电探测器和第二光电探测器得到的探测信号分别和步骤（5-3）功率参考探测器件测得的功率参考信号相除，消除因光源的功率变化对测量结果造成的影响；

步骤（7）：根据步骤（3）和步骤（6）确定吸收峰所在的整个扫描周期中的位置；

步骤（8）：参考步骤（6）得到的消除因光源的功率变化对测量结果造成影响的带有浓度信息的信号，参考步骤（7）中确定的吸收峰的位置，根据Beer-Lambert定律和参考探头中的浓度信号做比较，测得待测气体的浓度。

本发明的有益效果：

1.所述VCSEL激光器不使用温度控制系统精确控制其波长，大大降低了传感器的功耗；使得其在井下大面积推广成为可能；