[发明专利]一种基于VCSEL的自适应多谱线CO检测系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于VCSEL的自适应多谱线CO检测系统及方法，包括：依次连接的VCSEL激光器、气体吸收池和光电探测器；所述VCSEL激光器发出的光直接进入气体吸收池，所述气体吸收池输出的光直接进入光电探测器，经所述光电探测器将带有吸收信号的光信号转换为电信号，经AD转换后进入微处理器，进行待测气体的浓度测量；在整个操作温度范围内，通过对VCSEL激光器驱动电流的调整，能够使得VCSEL激光器至少扫描到待测气体的一条吸收谱线。本发明基于VCSEL光源，利用待测气体多条相邻吸收谱线自适应气体浓度检测；VCSEL激光器不使用温度控制系统精确控制其波长，大大降低了传感器的功耗。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于VCSEL的自适应多谱线CO检测系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

一氧化碳是一种无色无味、有毒、且易燃易爆的气体。研究表明CO是火灾的特有标志，火灾出现时，CO是有毒有害气体的主要组成部分，且在事故发生初期产生，析出量也较大，其浓度监测对预防煤矿、化工等环境中出现的爆炸、火灾具有重要意义。此外，CO还广泛存在于大气、油田及化工等环境中，国家针对不同的环境都规定了明确的标准来保障生产和人员的安全，对其浓度的实时在线监测对安全生产生活具有重要的安全意义。

随着激光器技术的不断发展，激光气体传感器得到了较大的发展，较为常见的为DFB激光器或者VCSEL激光器；但是，这两种传感器需要精确的温度控制，其TEC控制器的功耗非常大，使得该类传感器的功耗普遍较大，尤其是仪器的启动电流非常大，有得甚至达到500mA以上，致使该类传感器很难做到煤矿井下本安参数的要求，不利于和现有基站等矿用设备直接联机使用。这是阻止该类仪器在用电要求较高场所和便携式仪器推广使用的一个致命缺点。

现有技术公开了低功耗光谱吸收气体测量方法，去掉激光器的TEC从而降低功耗，但是该方法需要有波长参考通道，实际测量过程中需要一个充满高浓度待测气体的气体吸收池，以确定待测气体吸收谱线在扫描范围内的位置。该测量方法仅是通过波长参考气室内较高浓度的待测气体吸收谱线确定了谱线的相对位置，在合适的温度电流点实现不同谱线之间的切换，而不能确定所使用吸收谱线的具体波长和吸收强度，实际使用中需要大量的标准物质标定工作，大大增加了系统设计的工作量。

同时，这一波长参考通道以分光的形式降低了待测通道的有效光强，从而降低了系统测量信号的信噪比；另一方面，由于参考气体吸收池气室封装的密闭性要求非常高，尤其是接近常压的封装环境做到长时间不漏气非常困难，一旦漏气传感系统将不能正常工作，甚至出现误测误报等严重错误，这是该系统真正使用时最大的长期稳定隐患，尤其是对于CO这样的有毒气体，高浓度的操作环境也会带来了工作环境安全的隐患。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于VCSEL的自适应多谱线CO检测系统及方法，利用VCSEL的低功耗和谱线扫描范围大等优点，实现了CO的其低功耗浓度检测，有效解决了传统TDLAS气体检测装置的高功耗和长期稳定性问题。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种基于VCSEL的自适应多谱线CO检测系统，包括：依次连接的VCSEL激光器、气体吸收池和光电探测器；所述VCSEL激光器发出的光直接进入气体吸收池，所述气体吸收池输出的光直接进入光电探测器，经所述光电探测器将带有吸收信号的光信号转换为电信号，经AD转换后进入微处理器，进行待测气体的浓度测量；在整个操作温度范围内，通过对VCSEL激光器驱动电流的调整，能够使得VCSEL激光器至少扫描到待测气体的一条吸收谱线。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种基于VCSEL的自适应多谱线CO检测方法，包括：

对环境温度、VCSEL激光器驱动电流和波长进行建模，得到不同气体谱线切换点对应的环境温度；