[发明专利]一种高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学、激光光谱学及气体检测技术，特别涉及一种高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测方法。

背景技术

危险气体的监测，保障居民生活安全、工业生产及消防安全的必要手段。尤其是像H₂S、CO等危险气体，具有爆炸下限低、爆炸范围广、极低浓度即可致命的危险气体，其监测就更要求精度高、速度快。而在实际监测环境中，同一待测空间，会同时对多种气体浓度进行监测，若采用传统的定点安装气体监测系统，一来系统较为庞大，通常一种气体的检测就需要数百个定点检测器才能遍布待测空间，多种气体的监测，其系统的庞大度可想而知；二来线缆工程会非常的巨大繁琐，成本较大；另外在特殊位置空间，仪器无法安装，可能会漏检。而采用遥测式气体检测仪虽然可以实现远距离无接触式检测，但因漫反射的光强很弱、抖动，造成其测量精度低、测量距离有限的缺点，且常规的遥测式气体检测仪仅对光谱吸收强度较强的甲烷气体进行浓度检测，而H₂S、CO等危险气体的光谱吸收强度要远远弱于甲烷气体，而检测精度要求却大大提升，故采用普通的遥测式气体检测仪来测量H₂S、CO等危险气体浓度是行不通的。

针对上述问题，我们设计了一种高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测方法，它基于同轴开放反射式收发光路，采用4个不同波长的可调制激光器，利用双路调制激光合束叠加，降低信号噪声，增加有用信号的可放大倍数，提高信噪比。通过信号叠加，可在一个采集周期内获取4路气体浓度信息。大大提高了多组分气体同步测量的精度与速率。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测方法，实现4种气体浓度的同步测量。

本发明采用的技术方案是：

基于双光轴开放反射式收发光路，结合多个可调制激光器、激光合束技术、光电探测及信号处理技术，实现了多种气体浓度的高精度快速测量。将两路调制激光经光合束后接人准直器发出，合束激光穿过待测空间经角反射镜反射，由光电探测器转换为光电流信号，利用低噪声前置放大电路将光电流信号转换低噪声的电压信号，经放大、滤波等信号处理后，接入高速高位数据采集与处理系统，处理器通过浓度反演算法与定标计算出气体柱浓度并输出。

一种高精度的自平衡式快速多组分气体激光检测方法，其特征在于：

（1）采用双光轴开放反射式光路实现激光的发射与接收；

（2）在一个正弦周期内同时获取四种气体的浓度信号。

（3）两路调制激光经光合束后，接入准直器发射；

（4）合束后的准直激光穿过待测空间打在角反射镜上，反射激光在菲涅尔透镜的作用下聚集，经光电探测器转换为光电流信号。光电流信号经放大及滤波处理后，接入高速高位数据采集与处理系统，处理器通过浓度反演算法与定标计算出气体柱浓度并输出；

（5）合束的两路激光调制采用同一正弦信号源K sin（x），一路激光由正弦信号同相放大信号Asin（x）调制驱动，另一路激光由正弦信号的反相放大信号-Bsin（x）调制驱动；

（6）合束反射激光经同一光电探测器探测，共用同一信号处理电路；

（7）该方案给出了四种不同气体的高精度的自平衡式快速测量方案，但不局限于该四种气体的测量，通过更换、增加激光器，可实现更多种浓度气体的同时测量。

气体反演算法，是根据Beer-Lambert吸收定律，测量出气体吸收信号的强度，结合光强强度、温度与定标值等参数，计算出甲烷气体柱浓度。

激光双光轴开放反射式收发方法，其特征在于：

（1）包括有两路结构相同的同轴开放反射式光路；

（2）元件包括有四个半导体激光器、两个激光合束器、两个激光准直器、两个菲涅尔透镜、一个角反射镜、两个滤光片、两个光电探测器、一个指示镭射灯；

（3）激光定焦准直器、菲涅尔透镜、滤光片安装于同心轴上；

（4）激光准直器发射的激光光束与菲涅尔透镜的法线垂直；

（5）指示镭射灯与两路激光准直器平行安装；

（6）探测器之上安装红外带通滤光片。

该发明不仅仅局限于甲烷、氨气、硫化氢、一氧化碳四种气体的检测，通过更换、增加不同波长的半导体激光器，可实现其他有毒、危险气体的检测。

本发明的优点在于：