一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪制造技术

本实用新型专利技术属于气体检测技术领域，涉及一种对氯化氢、甲烷、一氧化碳和水蒸气等气体进行检测的基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪。包括激光器、激光器驱动电路、温度控制电路、带有光学腔体的光学系统、主探测器和参考探测器、强度调制消除电路、锁相放大电路和数据采集与显示电路；激光器驱动电路和温度控制电路用于控制激光器发光，光学系统的两端分别连接激光器和探测器，强度调制消除电路用于消除系统中强度调制的影响，锁相放大电路用于提取谐波信号，数据采集与显示电路用于显示待测气体的浓度。本实用新型专利技术与其他的检测仪相比，优点是在强度调制消除电路中，引入除法运算，结合空间双光路差分检测法，能够从根本上消除强度调制的影响。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于气体检测
，具体涉及一种对氯化氢、甲烷、一氧化碳和水蒸气等气体进行检测的基于TDLAS-WMS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS, Wavelength modulation spectroscopy, WMS)的激光红外气体分析仪。
技术介绍
氯化氢是无色而有刺激性气味的气体。易挥发，扩散性强，易溶于水。氯化氢也是一种重要的化工原料，因此，在化工生产过程中，不可避免地会产生氯化氢的废气，由于氯化氢对人的眼睛和呼吸系统有强烈的刺激作用，会引起一系列的人体疾病甚至死亡。氯化氢对环境也有一定的危害，为了尽可能的减少氯化氢气体对人类的生产和生活造成影响，对它的监测至关重要。甲烷在自然界中分布很广，它是温室效应中的重要气体，温室效应对生物及其所·处环境有着很大的影响，甲烷也是煤矿生产中瓦斯气体的主要成分，近年来，我国煤矿爆炸事故时有发生，造成了很多无法挽回的巨大损失。故对甲烷的检测也是义不容辞的。一氧化碳是大气中分布最广和数量最多的污染物，也是燃烧过程中生成的重要污染物之一。一氧化碳具有毒性，一氧化碳进入人体之后会和血液中的血红蛋白结合，从而使血红蛋白不能与氧气结合，引起机体组织出现缺氧，导致人体窒息甚至死亡。因为一氧化碳是无色、无味的气体，很容易被人们忽略而致中毒。所以要重视对一氧化碳检测。而水蒸气即湿度与人们的日常生活密切相关，同时湿度也对各个领域有着重要的影响，因此，对水蒸气的检测也具有重大的意义。红外气体分析仪的实质是利用特定的气体分子对特定的红外光谱产生吸收这一特点，把光通过气体后的衰减量和气体浓度联系起来，进而把浓度信号转变为光信号，最终转变为电信号。采用可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy, TDLAS)结合波长调制光谱(Wavelength modulation spectroscopy,WMS)技术对气体浓度进行测量，具有灵敏度高、选择性好、长期稳定性等优点。其基本原理是利用激光器的电流调谐和温度调谐的特性，使激光器的输出波长扫描待测气体的某一吸收峰，同时对激光器进行调制，根据谐波信号与气体浓度的相关性进行检测。但是此技术也存在缺点调节激光器的注入电流实现波长扫描和调制的同时将引起激光功率的变化，即产生强度调制现象，从而影响测量的精度。为了消除强度调制现象，一般采用谐波比值法。由于谐波峰值随阶次的升高而变小，因而通常利用一次谐波信号对二次谐波信号进行归一化处理。这种办法虽然可以消除光强、光电增益等公共项，但无法从根本上消除强度调制现象。而且还需测量强度调制与波长调制的相位差、调制一次项与二次项系数等，增加了系统的复杂度。此外，一次谐波的波形不稳定，用二次谐波和一次谐波比值的检测方法会使得测得的浓度值更加的不稳定，从而增大测量的误差。
技术实现思路
本技术的目的是依据红外吸收原理(朗伯-比尔定律)，基于TDLAS-WMS方法检测氯化氢、甲烷、一氧化碳和水蒸气浓度。本技术针对测量中存在的强度调制现象，提出了一种新的解决方法，即利用除法运算结合空间双光路差分检测方法，从根本上消除强度调制现象，克服常规方法的缺点。本技术所采用的技术方案是将TDLAS (可调谐二极管激光吸收光谱)与丽S(波长调制光谱)相结合。在本质上是通过改变激光器的发射波长，使其光谱扫描待测气体的吸收跃迁谱线。在实验中，首先通过调整激光器的工作温度，使激光器的输出的光波长在吸收跃迁的中心波长位置附近，然后，调节驱动激光器的电流再对波长进一步地精细调节，目的是使激光器发射的中心波长尽可能与吸收谱线中心对准。在确定了工作温度与直流偏置电流后，需要使直流电流周期性地缓慢变化，以实现激光波长对整个跃迁谱线的扫描。为了减小系统中的Ι/f噪声，采用频率调制技术将待测信号频率调制到高频区域；为了消除强度调制以及光强波动等因素的干扰，采用了除法运算与一般的空间双光路差分检测法相 结合的技术；采用锁相放大技术是为了提取二次谐波信号，根据二次谐波信号与气体浓度的线性关系，实现对气体浓度的检测。本技术的一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪，由激光器(内部集成了一个激光二极管，一个热敏电阻和一个热电制冷器)、激光器驱动电路、温度控制电路、带有光学腔体的光学系统、两个红外探测器(一个主探测器和一个参考探测器)、强度调制消除电路、锁相放大电路和数据采集与显示电路组成，其中激光器驱动电路连接激光器，并对激光器进行调制和调谐，使激光器的输出波长能够扫描待测气体的吸收跃迁谱线，同时也减小了系统的ι/f噪声；温度控制电路与激光器相连接，并能够在(TC 70°C范围内调节激光器的温度，防止激光器因温度过高或过低而损坏；带有光学腔体的光学系统的一端连接激光器，另一端连接红外探测器，激光器发出的光在光学系统中被等分成两束，一路经过光学腔体被光学腔体内的待测气体吸收后，传送到主探测器，一路直接传送到参考探测器；红外探测器将接收到的光信号转变成电流信号；强度调制消除电路连接红外探测器，将红外探测器输出的电流信号转换成电压信号，同时利用除法运算与一般的空间双光路差分检测法相结合的技术，消除因波长扫描和调制而引起的激光功率的变化，即强度调制对电压信号的影响；锁相放大电路连接强度调制消除电路，主要是提取二次谐波信号，并将信号放大20倍左右；数据采集与显示电路连接锁相放大电路，根据二次谐波信号的峰值与气体浓度的线性对应关系，利用最小均方误差准则，将二次谐波信号峰值与光学腔体内待测气体的浓度值进行拟合，最终通过显示电路显示测得的气体浓度。其中，激光器为分布反馈半导体量子级联激光器或者分布反馈半导体量子阱激光器，它还包括一个热敏电阻和一个热电制冷器TEC;热敏电阻作为温度感应元件，感应量子级联激光器或者量子阱激光器的温度。热电制冷器作为温度调节元件，主要用于改变量子级联激光器或者量子阱激光器的温度。其中，激光器驱动电路包括波形产生电路、加法电路和压控恒流源电路。波形产生电路的输出端连接加法电路，加法电路将波形产生电路输出的电压信号叠加，加法电路的输出端与压控恒流源电路相连接，压控恒流源电路的输出端连接激光器，驱动激光器发光。基于上述，波形产生电路包括三角波产生电路和正弦波产生电路，产生波长扫描的三角波与波长调制的正弦波，同时还产生两个分别与三角波和正弦波同频的方波，作为数据采集的触发源以及锁相放大电路的参考频率，利用单片集成函数发生器ICL8038实现三角波和正弦波产生电路。其中，温度控制电路包括温度采集与控制单元、温度显示单元、键盘单元、温度存储单元，温度采集与控制单元作为温度控制电路的核心，分别连接温度显示单元、键盘单元以及温度存储单元。其中，光学系统由光纤适配器、光隔离器、光分束器、光衰减器、准直器、光学腔体、光纤连接而成。激光器发出的光经过光 纤适配器进入光学系统，光纤适配器的一端连接光隔离器，光隔离器的另一端连接光分束器；光分束器的一个输出端通过准直器连接光学腔体，光学腔体的输出通过准直器连接光纤适配器，该光纤适配器连接测量光路的红外探测器(主探测器)；光分束器的另一个输出端连接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于TDLAS？WMS的激光红外气体分析仪，由激光器、激光器驱动电路、温度控制电路、带有光学腔体的光学系统、红外探测器、强度调制消除电路、锁相放大电路和数据采集与显示电路组成，其特征在于：激光器驱动电路连接激光器，并对激光器进行调制和调谐，使激光器的输出波长能够扫描待测气体的吸收跃迁谱线，同时减小系统的1/f噪声；温度控制电路与激光器相连接，在0℃～70℃范围内调节激光器的温度，防止激光器因温度过高或过低而损坏；带有光学腔体的光学系统的一端连接激光器，另一端连接红外探测器；红外探测器包括主探测器和参考探测器；激光器发出的光在光学系统中被等分成两束，一束经过光学腔体被光学腔体内的待测气体吸收后，传送到主探测器，另一束直接传送到参考探测器，红外探测器将接收到的光信号变成电流信号；强度调制消除电路连接红外探测器，将红外探测器输出的电流信号转换成电压信号，同时利用除法运算与空间双光路差分检测法相结合的技术，消除因波长扫描和调制而引起的激光功率的变化即强度调制对电压信号的影响；锁相放大电路连接强度调制消除电路，提取二次谐波信号，并将该信号放大；数据采集与显示电路连接锁相放大电路，根据二次谐波信号的峰值与气体浓度的线性对应关系，利用最小均方误差准则，将二次谐波信号峰值与光学腔体内待测气体的浓度值进行拟合，最终通过显示电路显示测得的气体浓度。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王一丁，郑传涛，丛梦龙，叶玮琳，许文佳，张宇，李黎，曹峰，于鑫，崔艳松，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：实用新型
国别省市：