[发明专利]温室气体的激光检测系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以半导体激光器为光源的温室气体光学检测系统及方法，属于光谱分析技术领域。 

背景技术

引起全球气候变暖的温室气体主要是二氧化碳和甲烷。这两种气体占温室气体总量的绝大部分，其中，二氧化碳在大气中的含量约为370ppm，甲烷在大气中的含量大约为1.7ppm。目前，检测二氧化碳和甲烷气体浓度的常用方法主要有质谱法、气相色谱法、光谱学方法等。由于光谱学方法具有检测时间响应快、灵敏度高的特点，所以得到较为广泛的应用。以激光为光源的光谱学检测方法，利用激光光源单色性好的特点，采用单一吸收线，对气体浓度进行定量的测定。 

以半导体激光器为光源，利用吸收光谱单独检测二氧化碳气体浓度或单独检测甲烷气体浓度的方法已有很多，但目前的这些检测方法存在一个共同的问题，那就是因激光波长的可调谐范围小，只能用一个激光源一套检测系统对应检测一种气体的浓度，如果要检测另外一种气体的浓度，就需要更换不同波长的激光源，这需要准备多个不同波长的激光源，增加检测设备的更换、调整环节，使得检测成本高，检测效率低。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种激光检测方法，用一个激光源一套检测系统实现对二氧化碳和甲烷这两种主要温室气体浓度的检测，达到降低检测成本，提高检测效率的目的。 

本发明是这样实现的：一种温室气体的激光检测系统，包括：半导体激光器(1)、准直透镜(2)、光探测器(6)，其特征是：还包括激光器驱动电源(3)、温度控制器(4)、函数发生器(5)和锁相放大器(7)，其中激光器驱动电源(3)和函数发生器(5)连接，激光器驱动电源(3)与半导体激光器(1)连接，温度控制器(4)与半导体激光器(1)连接，实现对半导体激光器波长的调谐功能，同时函数发生器(5)与锁相放大器(7)连接。 

激光器驱动电源(3)用于控制、扫描半导体激光器(1)的泵浦电流，温度控制器(4)用于调整控制半导体激光器(1)的温度，函数发生器(5)用于向激光器驱动电源(3)提供直流控制电压信号和交流调制信号，函数发生器(5)的交流调制信号同时也送至锁相放大器(7)，作为信号解调用的参考信号。 

一种运用上述检测系统的检测方法，按以下步骤进行： 

①在半导体激光器的波长可变范围内选择二氧化碳和甲烷二种温室气体的吸收线对，使其满足一个光源的波长可以扫过两种气体的至少各一条选定的吸收线，所选定的吸收线要有足够的吸收强度，可以分别满足检测至少370ppm二氧化碳气体浓度、以及检测至少1.7ppm甲烷气体浓度的需要； 

②选择一个半导体激光器作为检测光源，它的使用波长可调谐范围要能够覆盖步骤①所选定的二氧化碳气体和甲烷气体的吸收线对，作为检测光源的半导体激光器的波长调节方法，是通过控制半导体激光器的温度和调整扫描半导体激光器的泵浦电流，将半导体激光器的波长调谐至步骤①所述的吸收线对中的任何一条吸收线； 

③检测系统的检测光源波长满足步骤①和步骤②所述要求，并根据被检气体浓度水平的需要选定吸收光程和信号检测方式； 

④控制半导体激光器的温度、并扫描半导体激光器的泵浦电流，使激光波长扫过所选定的二氧化碳或甲烷气体吸收线对中的一条吸收线，记录测定结果；然后根据需要改变半导体激光器的温度和泵浦电流的扫描范围，使激光波长扫过所选定的二氧化碳或甲烷气体吸收线对中的另一条吸收线，并记录测定结果，根据测定结果和系统事先的标定及校对，计算出二氧化碳和甲烷的气体浓度。 

按照上述的检测方法，其特征在于二氧化碳和甲烷二种温室气体的吸收线对的选择方法如下： 

①在中心波数分别为6081.3687cm^-1、6082.8843cm^-1、6084.3890cm^-1、 6085.8826cm^-1、6087.3647cm^-1、6088.8353cm^-1、6090.2940cm^-1、6091.7405cm^-1的8条二氧化碳吸收线中选择其中一条；