[发明专利]激光程控气体浓度检测系统及检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感、光电子领域。应用于害气体检测，大气湿度检测，以及其他一切应用到气体浓度检测、气体特性传感的领域。

背景技术

在气体传感、气体浓度测量领域，广泛应用电容传感器及电化学等方法进行浓度的测量。然而，电容传感和电化学方法在气体检测中存在一些不足。如用电容传感器进行水汽测量时存在退湿慢的问题；而用电化学的方法本身会对气体组分造成破坏。而基于光纤传感的高精度气体浓度探测器，应用光电技术，具有响应速度快、测量精度高、对气体组分破坏小等优点。

根据Beer定律，当波长为λ、强度为I₀(λ)的一束激光通过一定浓度C的某种气体，并经过长度为L的一段距离后。接收到的光强I(λ)与初始光强I₀(λ)的关系为I(λ)＝I₀(λ)exp(-αCL)。其中α为该种气体对波长为λ的光的吸收系数。当λ刚好处于这种气体光谱的一个强吸收峰时，α很大，该波长的光被这种气体吸收明显。通过对穿过气体后的光的光强进行分析，就可以计算出该气体的浓度。

在气体的浓度很小的情况下，通过在激光器上加载调制信号，利用锁相放大技术对穿过气体的光的谐波进行检测，并对得到的数据进行处理。可以准确检测出微小的浓度。

通过使用程控电流源，波形发生器，特定波长的激光器，大范围光电探测器，程控万用表，锁相放大器等装置搭建的气体检测系统。通过电脑程序控制可以将激光器波长准确锁定在待测气体的吸收峰上。并且可以在高浓度和低浓度的测量环境下，切换选择的测量方法：在高浓度下切换到直接测量法，在低浓度下切换到谐波测量法。并通过采集程控万用表和锁相放大器上的数据，实时跟踪检测气体的浓度。

发明内容

作为一种新气体浓度测试系统，本发明采用光纤传感的方法，利用波长与被检气体吸收谱匹配的的长波长激光器作为探测源，通过检测光通过待测气体后，光强的减弱程度，得到待测气体的浓度。

本发明采用程序控制的方法寻找该气体的吸收峰并锁定激光器波长。通过程序控制处理器处理电流检测计或锁相放大器传来的数据，动态测量气体浓度。并动态选择检测方法：在判定为高浓度时选择直接测量法；在判定为低浓度时，选择提高精度的谐波探测法。

为达到上述目的，本发明提供了一种程控气体浓度检测系统，包括：

一程序控制处理器；

一程控电流源，该程控电流源可以输出直流电源或是在输出的直流电源上叠加高频信号，该程控电流源通过连线与程序控制处理器通讯，该程控电流源给长波长激光器供电；

一柱形气室，该柱形气室的腔为开放性结构，与环境气体联通，该柱形气室的一端的中心安装有法兰装置；

一长波长激光器，该长波长激光器的一端通过光纤将光耦合进柱形气室的法兰中，该长波长激光器的另一端与程控电流源连接；

一光电探测器，该光电探测器安装在柱形气室的另一端，该光电探测器安装的位置应与法兰处耦合进来的激光准直；

一微电流检测计，该微电流检测计采集光电探测计上的电流信号，该微电流检测计与程序控制处理器通讯；

一信号发生器，该信号发生器将调制信号加载在程控电流源上，该信号发生器与程序控制处理器通讯；

一锁相放大器，该锁相放大器采集光电探测计上的信号，该锁相放大器与程序控制器通讯。

其中该程序控制处理器为一计算机或为一处理器芯片。

其中程控电流源为一电流源电路。

其中微电流检测计为一AD采样芯片电路。

其中信号发生器为一正弦信号发生芯片电路。

其中锁相放大器为一数字锁相环电路。

其中长波长激光器的波长选择依据待测气体的吸收谱而定，其波长为选择待测气体的强吸收峰处的波长。

本发明提供一种程控气体浓度检测系统的检测方法，该检测方法采用如权利要求1所述的检测系统，包括如下步骤：

步骤1：关闭信号发生器，通过程控电流源，在长波长激光器工作的线性区，由低到高连续步进输出电流，通过检测微电流检测计上探测到的光电流的低谷的位置，计算锁定波长，令程控电流源在该位置输出直流电流；

步骤2：程序控制处理器连续接收微电流检测计传递的信号，通过直接测量法得到气体的浓度C；

步骤3：当计算得到的值大于等于一比对值的时候，返回步骤2；

步骤4：当计算得到的值小于一比对值的时候，打开信号发生器，为程控电流源加调制信号，用锁相放大器检测光电探测器探测到的信号的谐波成分，通过谐波测量法计算光电流的二次谐波成分和一次谐波成分之比，来计算气体浓度C；