[发明专利]多模二极管激光吸收光谱技术监测甲烷气体浓度的装置及监测方法

权利要求书

1.多模二极管激光吸收光谱技术监测甲烷气体浓度的装置，其特征在于：它包括信号发生器(1)、二极管激光器温度电流控制器(2)、多模二极管激光器(3)、一号聚焦透镜(4)、二号聚焦透镜(5)、探测器(7)、数据采集卡(8)和计算机(9)；

所述信号发生器(1)用于同时产生频率为f₁的调制正弦波信号、频率为f₂的锯齿波信号和TTL触发信号，所述信号发生器(1)的正弦波信号输出端连接二极管激光器温度电流控制器(2)的正弦波信号输入端；

所述信号发生器(1)的锯齿波信号输出端连接二极管激光器温度电流控制器(2)的扫描锯齿波信号输入端，f₁为正整数，f₂为正整数；

所述信号发生器(1)的TTL触发信号输出端连接数据采集卡(8)的TTL触发信号输入端；

所述二极管激光器温度电流控制器(2)的温度控制信号输出端连接多模二极管激光器(3)的温度控制信号输入端；

所述二极管激光器温度电流控制器(2)的电流控制信号输出端连接多模二极管激光器(3)的电流控制信号输入端；

多模二极管激光器(3)发射的激光束经一号聚焦透镜(4)会聚后入射至待测气体中，经该待测气体透射之后的光束入射至二号聚焦透镜(5)上，透过二号聚焦透镜(5)的光会聚至探测器(7)的光敏面上；探测器(7)的电信号输出端连接数据采集卡(8)的采样信号输入端，数据采集卡(8)通过PCI接口与计算机(9)相连；所述一号聚焦透镜(4)与二号聚焦透镜(5)为同一型号的聚焦透镜；

所述一号聚焦透镜(4)与二号聚焦透镜(5)之间的距离为L。

2.根据权利要求1所述的多模二极管激光吸收光谱技术监测甲烷气体浓度的装置，其特征在于：

所述多模二极管激光器(3)输出的激光束的波长为1.32μm或1.65μm。

3.根据权利要求1所述的多模二极管激光吸收光谱技术监测甲烷气体浓度的装置，其特征在于：

所述多模二极管激光器(3)输出的激光束的中心波长为1318nm。

4.根据权利要求1所述的多模二极管激光吸收光谱技术监测甲烷气体浓度的装置，其特征在于：

L为一号聚焦透镜(4)焦距的二倍。

5.根据权利要求1所述的多模二极管激光吸收光谱技术监测甲烷气体浓度的装置，其特征在于：二极管激光器温度电流控制器(2)是采用LASER DIODE COMBI CONTROLLER激光器温度、电流控制器ITC501实现的。

6.根据权利要求1所述的散射增强可调谐二极管激光痕量气体检测装置，其特征在于：频率f₂的范围为1Hz-100Hz。

7.根据权利要求5所述的散射增强可调谐二极管激光痕量气体检测装置，其特征在于：频率f₁的范围为1kHz-100kHz。

8.根据权利要求1或6所述的散射增强可调谐二极管激光痕量气体检测装置，其特征在于：TTL触发信号的频率与f2频率相同。

9.基于权利要求1所述的多模二极管激光吸收光谱技术监测甲烷气体浓度的装置的监测方法，其特征在于：该方法的实现过程为：

首先，信号发生器(1)输出正弦波信号通过二极管激光器温度电流控制器(2)加载至多模二极管激光器(3)的注入电流中，控制多模二极管激光器(3)的工作电流，对多模二极管激光器(3)的输出光强进行调制；

信号发生器(1)输出锯齿波信号通过二极管激光器温度电流控制器(2)加载至多模二极管激光器(3)的注入电流中，控制多模二极管激光器(3)的工作工作电流，对多模二极管激光器(3)的输出光强进行调谐；二极管激光器的温度由二极管激光器温度电流控制器(3)的温度控制功能直接控制；通过对多模二极管激光器(3)输出的工作温度及工作电流的调节，使得多模二极管激光器(3)输出的中心波长能完整地扫描未知甲烷气体浓度空气中甲烷气体的吸收线；

信号发生器(1)产生TTL触发信号触发数据采集卡(8)；

然后，多模二极管激光器(3)输出激光束，探测器(7)采集光信号，

数据采集卡(8)采集探测器(7)输出的电信号，并通过PCI接口输入到计算机(9)进行处理；

最后，计算机(9)根据Beer-Lambert定律计算反演出甲烷气体的浓度；

N_s＝A_s(ω₀)N_r/A_r(ω₀)，

式中，A_s(ω₀)为待测气体调制信号的第二阶傅立叶展开系数，A_r(ω₀)为标定的已知甲烷气体浓度为N_r时得到的气体调制信号的第二阶傅立叶展开系数；ω₀为甲烷气体吸收线的中心频率。