[实用新型]一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪

权利要求书

1.一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪，由激光器、激光器驱动电路、温度控制电路、带有光学腔体的光学系统、红外探测器、强度调制消除电路、锁相放大电路和数据采集与显示电路组成，其特征在于：激光器驱动电路连接激光器，并对激光器进行调制和调谐，使激光器的输出波长能够扫描待测气体的吸收跃迁谱线，同时减小系统的1/f噪声；温度控制电路与激光器相连接，在0℃～70℃范围内调节激光器的温度，防止激光器因温度过高或过低而损坏；带有光学腔体的光学系统的一端连接激光器，另一端连接红外探测器；红外探测器包括主探测器和参考探测器；激光器发出的光在光学系统中被等分成两束，一束经过光学腔体被光学腔体内的待测气体吸收后，传送到主探测器，另一束直接传送到参考探测器，红外探测器将接收到的光信号变成电流信号；强度调制消除电路连接红外探测器，将红外探测器输出的电流信号转换成电压信号，同时利用除法运算与空间双光路差分检测法相结合的技术，消除因波长扫描和调制而引起的激光功率的变化即强度调制对电压信号的影响；锁相放大电路连接强度调制消除电路，提取二次谐波信号，并将该信号放大；数据采集与显示电路连接锁相放大电路，根据二次谐波信号的峰值与气体浓度的线性对应关系，利用最小均方误差准则，将二次谐波信号峰值与光学腔体内待测气体的浓度值进行拟合，最终通过显示电路显示测得的气体浓度。

2.如权利要求1所述的一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪，其特征在于：激光器为分布反馈半导体量子级联激光器或者分布反馈半导体量子阱激光器，它还包括一个热敏电阻和一个热电制冷器TEC；热敏电阻作为温度感应元件，感应量子级联激光器或者量子阱激光器的温度；热电制冷器作为温度调节元件，用于改变量子级联激光器或者量子阱激光器的温度。

3.如权利要求1所述的一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪，其特征在于：激光器驱动电路包括波形产生电路、加法电路和压控恒流源电路；波形产生电路的输出端连接加法电路，加法电路将波形产生电路输出的电压信号叠加，加法电路的输出端与压控恒流源电路相连接，压控恒流源电路的输出端连接激光器，驱动激光器发光；波形产生电路包括三角波产生 电路和正弦波产生电路，产生波长扫描的三角波与波长调制的正弦波，同时还产生两个分别与三角波和正弦波同频的方波，作为数据采集的触发源以及锁相放大电路的参考频率。

4.如权利要求1所述的一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪，其特征在于：带有光学腔体的光学系统由光纤适配器、光隔离器、光分束器、光衰减器、准直器、光学腔体和光纤连接组成，激光器发出的光经过光纤适配器进入光学系统，光纤适配器的一端连接光隔离器，光隔离器的另一端连接光分束器；光分束器的一个输出端通过准直器连接光学腔体，光学腔体的输出通过准直器连接光纤适配器，该光纤适配器连接红外探测器的主探测器；光分束器的另一个输出端连接光衰减器，光衰减器连接另一个光纤适配器，该光纤适配器连接红外探测器的参考探测器；光学系统各部分之间通过光纤连接。

5.如权利要求1或4所述的一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪，其特征在于：光学腔体是一个长方体，高度和宽度相同，内部设计为圆柱形，顶端有一个带有外螺纹的进气口、一个带有外螺纹的出气口和一个带有内螺纹气压计接口，整个气室采用不锈钢材料制成。

6.如权利要求1所述的一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪，其特征在于：强度调制消除电路由光电转换电路、减法电路、除法电路和同步信号累积电路组成，光电转换电路的输入连接红外探测器，光电转换电路的输出连接减法电路，减法电路的输出连接除法电路，除法电路的输出连接同步信号累积电路；光电转换电路将红外探测器的电流信号转换成电压信号，减法电路提取主探测器的待测电压信号和参考探测器的参考电压信号的差值即变化量，进而消除背景噪声，而除法电路对电压信号差值和参考信号值进行除法运算，进一步消除光源自身波动以及驱动电路的波动引入的干扰；同步信号累积电路是利用待测电压信号的周期性和噪声信号的随机性，使得随着采样次数的增加，噪声的平均值将变小，从而弱化随机噪声，提高信噪比。 

7.如权利要求1所述的一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪，其特征在于：锁相放大电路由相敏检波电路和低通滤波电路组成，相敏检波电路的输出连接低通滤波电路，低通滤波电路的输出连接数据采集与显示电路的输入端；锁相放大电路利用待测电压信号与参考电压信号相关，而噪声与参考电压信号不相关的特性，起到很好地抑制噪声的作用。