[发明专利]一种波长范围以及波长连续可调谐的多气体检测系统

说明书

一种波长范围以及波长连续可调谐的多气体检测系统，包括光纤激光器、声光调制器、准直器、气体吸收池、光电探测器、光谱信号分析模块、激光驱动控制模块和射频驱动系统；光纤激光器、声光调制器、准直器、气体吸收池和光电探测器依次设置；光纤激光器与激光驱动控制模块的输出端连接，光电探测器与光谱信息分析模块相连；射频驱动系统与声光调制器和光谱信号分析模块连接；声光调制器与频率合成器产生，频率合成器与光谱信号分析模块中的微处理器连接。该系统分析速度快；转换速度快；检测激光波长可连续调谐；可实时在线检测，亦可远传分析监控；检测稳定性、准确性好；造价成本低，只需要一个可调谐激光器即可完成大多数气体成分的检测。

技术领域

本发明涉及一种用于多种气体检测的系统，采用一种波长范围可连续调谐光纤激光器以及光纤耦合声光调制器组合结构实现波长可连续调谐多气体检测，属于激光气体检测技术领域。

背景技术

在气体光谱吸收领域，可调谐二极管激光吸收光谱分析(Tunable diode laserabsorption spectroscopy,TDLAS)是一种高灵敏度、高分辨率和快速响应的气体检测技术，广泛用于工业流程中的气体监控、环境大气检测以及科学研究等领域。

在对多种气体成分的浓度进行检测时，都希望能够同时测量多种气体成分的光谱吸收线。现有的红外调谐激光器的缺点是调谐范围有限，一般在200cm^-1的量级，快速电流调谐宽度约1-2cm^-1，在实际的气体检测应用中，通常通过电流调谐方式实现对检测气体光谱吸收线进行快速检测，但是，在现有的可调谐激光器的调谐范围较小，通常不能覆盖所有气体吸收的激光波长；而由于温度调谐无法实现快速调谐，通过对半导体激光器进行温度调谐的方法实现对多条光谱吸收线的检测时，用时较长。实际应用中，一般需要为每种需要检测的气体同工作的多路技术，目前用于多组分检测技术的多路技术可以分为三种，分别是时分多路技术、波分多路技术和分频调制多路技术。

时分多路技术是最直接的方法，它是从一系列的激光器中选择出对应测量气体对应波长的测量光束导入到检测光路，顺序检测多种气体的浓度；波分多路技术是将不同波长的激光光束通过波分复用器或者光纤合束器进行组合，组合后的多光束沿相同的光路通过吸收池，初设光束利用分光光学元件进行分光，不同波长的光束在不同方向被探测器接收，实现多分组气体的同时检测；频调制技术就是利用相敏检测的窄带滤波特点，对多台激光器用不同频率的正弦电流信号进行调制，然后将激光束进行合束，沿相同的光路通过气体吸收池，最后聚焦在同一检测器上。再通过对信号在相应的频率上进行解调，即可从合束信号中提取额分离出各个波长激光器的贡献，从而分析出其对应气体成分的浓度大小。

波分多路技术解决了多组分气体同时检测的检测速度慢的问题，但实际此种方法与多套仪器检测系统相比并没有改善了很多，只不过是共用了一个气体吸收池和检测路线而已。而且，合束器或波分复用器和分离的分光元件也降低了系统的紧凑型和稳定性，衍射元件的使用还可能引入噪声和偏差。分频调制多路技术存在的主要问题是需要消除检测通道间的交叉干扰以及多路激光数目上受到限制。相比以上两种方法，时分多路技术在检测系统结构上十分简单，只需要一个探测器、一套检测装置和一套信号处理系统，检测气体多组分数量也没有限制。但是传统时分多路技术大多是机械结构进行光束光源的转换，这就使其测量的效率大大下降，且此种方法使光强的稳定性较差。而且，传统的时分多路技术因为激光源的限制并不能连续、快速且准确的检测某时刻的多组分气体浓度。

现在大多采用的多组分气体检测技术是由若干个中心波长不同的DFB激光器(分布反馈激光器)构成组合式多波长光源，由该组合式多波长光源发射的多路检测激光经波分复用器或者光纤合束器合束后，由池前多模光纤将合束检测激光自入光口传播并导入装有被检测气体的气体吸收池中，合束检测激光在气体吸收池中经多次反射后自出光口射出，再由池后多模光纤导向探测器，探测器将各种气体吸收谱线光信号转换为电信号，经过前置放大器和锁相放大器的运算，获得气体吸收信号的一次和二次谐波，最后利用谐波强度实现气体浓度的测量。