基于步進掃描積分吸收法的烷烴類氣體檢測系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種基于步進掃描積分吸收法的烷烴類氣體檢測系統(tǒng)及方法，包括：控制單元，用于以步進方式控制可調(diào)諧激光器和紅外探測器的發(fā)射和檢測，并對檢測信號進行處理；可調(diào)諧激光器，用于發(fā)射檢測激光；紅外探測器，用于檢測經(jīng)過參比氣體或待檢測的烷烴類氣體的激光強度。本發(fā)明的檢測系統(tǒng)和方法利用中/近紅外波段來探測烷烴類氣體，可避開空氣中水汽、二氧化碳等的影響，同時利用寬光譜可調(diào)諧激光器特性，通過步進掃描積分吸收法，能實現(xiàn)對具有寬譜吸收特征的復雜分子的探測，具有高靈敏度和寬動態(tài)范圍的優(yōu)勢。
【專利說明】
基于步進掃描積分吸收法的燒輕類氣體檢測系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及基于激光光譜的氣體傳感和揮發(fā)性有機化合物(VOC)檢測領(lǐng)域，特別 設(shè)及到一種基于步進掃描積分吸收法的燒控類氣體檢測系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 揮發(fā)性有機化合物(VOC)作為一種大氣主要污染源已經(jīng)越來越受到關(guān)注，其中在 成品油的揮發(fā)物中，燒控類氣體作為主要的揮發(fā)物成分，成分復雜種類繁多，其中尤W丙 燒、下燒等氣體為主要成分，因此對其中某種單一氣體的針對性檢測非常有必要，并且要求 其檢測方法能夠?qū)崟r動態(tài)和高靈敏度響應。在W往的VOC氣體檢測技術(shù)中，氣相色譜-質(zhì)譜 法需要氣體樣品預采樣處理，不能夠?qū)崟r檢測;催化燃料法作為一種化學手段，動態(tài)響應和 靈敏度不足;因此基于光譜分析特別是基于半導體激光光譜分析方法越來越受到關(guān)注。
[0003] 可調(diào)諧激光光譜技術(shù)是利用半導體激光器發(fā)射出對應氣體特征吸收峰處波長的 激光，根據(jù)半導體激光器可調(diào)諧特性進行氣體檢測的一種技術(shù)，目前廣泛應用于分子結(jié)構(gòu) 相對簡單的氣體探測中，如水汽、甲燒、二氧化碳等，能夠?qū)崟r動態(tài)高靈敏度響應，其主要檢 測原理是根據(jù)比爾--朗伯（Beer-Lambert)定律，有W下的吸收公式：It = Io ? e邱{[-a(入） 化]} = 1日.e邱(-A)，其中，It為穿過待測氣體后的透射光光強；I日為入射光光強;Q(A)為吸 收系數(shù)，與氣體種類和激光頻率有關(guān);C為待測氣體的體積濃度;L為待測氣體的吸收長度;A 為吸光度。當在目標氣體吸收波段時，通過測量It和1〇,就可W算出氣體的濃度大小C。
[0004] -般來說，對于常見的分子結(jié)構(gòu)相對簡單的氣體，其在中/近紅外波段都會有特征 吸收峰，且一般只有小于0.1 nm的窄帶吸收范圍，因此激光器在窄帶范圍內(nèi)方便調(diào)諧，可利 用直接法或者諧波法快速檢測到目標氣體的吸收峰值，從而得到氣體濃度。但對于分子結(jié) 構(gòu)相對復雜的大分子，如丙烷、正下燒、異下燒等氣體，它們往往具有寬譜吸收的特征，W往 的尋峰法不再適用。因此，如何實時且精確地測量出其氣體濃度大小就是目前需要解決的 技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種基于步進掃描積分吸收法的檢測系 統(tǒng)，本發(fā)明的另一個目的在于提供一種基于步進掃描積分吸收法的檢測方法，W解決上述 技術(shù)問題中的至少之一。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種燒控類氣體檢測 系統(tǒng)，包括：
[0007] 控制單元1，用于W步進方式控制可調(diào)諧激光器3進行多次激光發(fā)射，發(fā)射激光的 波長覆蓋整個待檢測的燒控類氣體的強吸收峰；W及用于控制紅外探測器7相應地進行多 次檢測，并對所述紅外探測器7的檢測信號進行處理；
[000引可調(diào)諧激光器3,用于發(fā)射檢測激光，所述可調(diào)諧激光器3發(fā)射激光的波長能隨溫 度和電流調(diào)諧而覆蓋到整個待檢測的燒控類氣體的寬譜吸收；
[0009] 紅外探測器7,用于檢測經(jīng)過參比氣體或待檢測的燒控類氣體的激光強度。
[0010] 其中，所述燒控類氣體檢測系統(tǒng)還包括開放氣室5,用于容納或接觸待檢測的所述 燒控類氣體；
[0011] 作為優(yōu)選，所述開放氣室5的光程長度根據(jù)可調(diào)諧激光器的光功率大小及現(xiàn)場的 環(huán)境狀況進行調(diào)整;其中，所述現(xiàn)場的環(huán)境例如包括加油站、公路或碼頭。
[0012] 其中，所述燒控類氣體檢測系統(tǒng)還包括：
[0013] 探測控制器8,用于對所述紅外探測器7進行偏壓和溫度控制；
[0014] 跨阻放大器9,用于將所述紅外探測器7輸出的微電流信號放大成電壓信號；
[0015] 第二級放大器10,用于將所述跨阻放大器9輸出的電壓信號調(diào)整到適合模數(shù)轉(zhuǎn)換 的輸入范圍。
[0016] 其中，所述探測控制器8、跨阻放大器9、第二級放大器10與所述控制單元1集成在 一塊電路主板上。
[0017] 其中，所述電路主板與所述可調(diào)諧激光器3及紅外探測器7分開設(shè)置，通過遠程控 制的方式與所述可調(diào)諧激光器3及紅外探測器7連接。
[0018] 其中，待檢測的所述燒控類氣體為丙烷、正下燒或異下燒。
[0019] 其中，待檢測的所述燒控類氣體為丙烷;W及
[0020] 所述可調(diào)諧激光器3發(fā)射的單模激光波長對應著丙烷在中/近紅外的強吸收峰處， 其中中紅外強吸收峰處在3.367-3.372WI1附近，近紅外強吸收峰處在1.686-1.687WI1附近。
[0021] 其中，所述可調(diào)諧激光器3為分布反饋激光器DFB、量子級聯(lián)激光器QCU帶間級聯(lián) 激光器ICL或垂直外腔面發(fā)射激光器VECS化。
[0022] 作為本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明還提供了一種燒控類氣體檢測方法，包括W下 步驟：
[0023] 通過步進地控制可調(diào)諧激光器的工作溫度和工作電流，使其在幾個納米的調(diào)諧范 圍內(nèi)出射的激光波長步進掃描增大；
[0024] 每出射一次激光就計算其經(jīng)過氣體吸收后的吸光度；
[0025] 最后計算出一個掃描周期內(nèi)發(fā)出的所有激光經(jīng)過氣體吸收后的總吸光度，根據(jù)總 吸光度和待檢測的所述燒控類氣體濃度成正比，從而得到待檢測的所述燒控類氣體的氣體 濃度。
[0026] 作為本發(fā)明的再一個方面，本發(fā)明還提供了一種燒控類氣體檢測方法，包括W下 步驟：
[0027] 步驟1，W氮氣為參比氣體，W步進方式控制可調(diào)諧激光器發(fā)射激光，掃描一個周 期，探測得到原始光強Ioi，其中i為步進的步數(shù)；
[0028] 步驟2,在實際環(huán)境中，在同樣的掃描范圍內(nèi)W同樣的步進方式控制所述可調(diào)諧激 光器發(fā)射激光，則探測得到經(jīng)過待檢測的燒控類氣體吸收后的透射光強Iti;
[0029] 步驟3,在每個掃描點，通過-ln(Iti/I〇i)得到該點下的吸光度A(i)，在一個掃描周 期內(nèi)得到總吸光度
其中n為步進的總步數(shù)；
[0030] 步驟4,通巧計算得劍的總吸光度A，計算得到待檢測的燒控類氣體的氣體濃度C。
[0031] 基于上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明針對當前現(xiàn)有可調(diào)諧激光氣體檢測系統(tǒng)主要針對 近紅外光探測簡單分子的局限，提出了利用中/近紅外可調(diào)諧半導體激光器作為光源，解決 了有寬譜吸收特征的復雜燒控類氣體分子如丙烷的探測問題，本發(fā)明的檢測系統(tǒng)及方法具 有如下有益效果：（1)基于中/近紅外波段的光譜（如丙烷強吸收峰處于3.367-3.37化m& 1.686-1.687皿附近)可W避免空氣中水汽、二氧化碳等氣體對目標氣體的吸收影響；（2)選 擇寬光譜可調(diào)的中/近紅外可調(diào)諧半導體激光器，可覆蓋整個氣體的寬譜吸收峰，采用步進 掃描積分吸收法，能夠提高氣體濃度的測量靈敏度和動態(tài)范圍；（3)系統(tǒng)提供的光路單元和 電路單元可分開安裝，其中光路中的開放氣室設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)在不同的真實環(huán)境中安裝探 測，靈活性好；（4)針對其他復雜大分子，在選擇合適的激光器和探測器后，可W方便地進行 同類型的檢測系統(tǒng)設(shè)計。
【附圖說明】
[0032] 圖1是本發(fā)明的基于步進掃描積分吸收法的燒控類氣體檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖2是本發(fā)明的可調(diào)諧半導體激光器發(fā)出的激光覆蓋丙烷寬譜吸收范圍的示意 圖；
[0034] 圖3是本發(fā)明的步進掃描積分吸收法探測燒控類氣體濃度的原理示意圖；
[0035] 圖4是本發(fā)明的開放氣室的光路示意圖。
【具體實施方式】
[0036] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，W下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0037] 本發(fā)明公開了一種基于步進掃描積分吸收法的燒控類氣體檢測系統(tǒng)，對于燒控類 氣體，例如丙烷、正下燒、異下燒氣體來說，由于其分子結(jié)構(gòu)相對復雜，有寬譜的強吸收峰， W往的尋峰法不再適用，因此本發(fā)明通過選擇寬光譜可調(diào)的中/近紅外半導體激光器，調(diào)諧 激光器出射的波長，令波長的調(diào)諧范圍可W覆蓋整個丙烷的寬譜吸收峰;且在調(diào)諧過程中， 讓激光器的出射波長從低到高步進掃描，每掃一個點算出對應的吸光度，最后掃描一個周 期后積分得到總的吸光度，從而可W算出丙烷濃度。運樣通過步進掃描積分吸收法，當掃描 的點數(shù)足夠多時，則可近似為一種離散的積分方法，從而可提高測量的動態(tài)范圍和靈敏度。
[0038] 更具體地，下面將W丙烷氣體為例、結(jié)合附圖對本發(fā)明的基于步進掃描積分吸收 法的燒控類氣體檢測系統(tǒng)進行進一步闡述說明。
[0039] 圖1所示是本發(fā)明的一種基于步進掃描積分吸收法的丙烷檢測系統(tǒng)，其包括:微處 理控制器1，用于控制可調(diào)諧半導體激光器和紅外探測器的工作狀態(tài)，并能夠?qū)Φ诙壏糯?器放大后的電壓信號進行數(shù)據(jù)處理;激光控制器2,包括激光器TEC溫控模塊W及激光器電 流驅(qū)動模塊;可調(diào)諧半導體激光器3,選擇的半導體激光器發(fā)射波長能對應著丙烷的強吸收 峰;準直透鏡4,能使中紅外激光準直出射到開放氣室中；開放氣室5,安裝在含有目標氣體 的真實環(huán)境中，用于容納或接觸待檢測的所述燒控類氣體;聚焦透鏡6,使經(jīng)過開放氣室并 被丙烷吸收后的激光聚焦到紅外探測器上;紅外探測器7，用于檢測經(jīng)過開放氣室的激光強 度;探測控制器8,給紅外探測器合適的偏壓和溫控，使它能正常工作;跨阻放大器9,用于將 紅外探測器產(chǎn)生的微電流轉(zhuǎn)換為電壓信號;第二級放大器10,用于將跨阻放大器的電壓信 號調(diào)整到適合A/D轉(zhuǎn)換的輸入范圍進入微處理控制器。
[0040] 其中，微處理控制器1、激光控制器2、探測控制器8、跨阻放大器9、第二級放大器10 作為電路單元，可W集成在一塊電路主板上，體積小，重量輕，方便安裝?？烧{(diào)諧半導體激光 器3、準直透鏡4、開放氣室5、聚焦透鏡6、紅外探測器7作為光路單元，通過連線和上述電路 單元連接。電路單元作為控制和處理模塊，光路單元發(fā)送工作命令和接收信號，可選擇安裝 在現(xiàn)場，也可在室內(nèi)遠程控制;光路單元作為丙烷探測傳感模塊，接收電路單元發(fā)來的工作 命令，并回傳探測到的丙烷信號，可安裝在可能含有丙烷的室外環(huán)境如加油站、公路、碼頭 等中。
[0041] 圖2是可調(diào)諧半導體激光器發(fā)出的激光覆蓋丙烷寬譜吸收范圍的示意圖。圖2左邊 曲線1給出了丙烷在中/近紅外波段范圍內(nèi)的吸收強度的大概示意圖，中紅外強吸收峰處在 3.367-3.372WI1附近，近紅外強吸收峰處在1.686-1.687WI1附近，在強吸收峰處放大來看，如 圖2右邊曲線2所示，有明顯的寬譜吸收特征，一般其寬譜范圍有好幾個納米。利用此寬譜范 圍作為特征吸收，選擇具有寬光譜調(diào)諧特性的半導體激光器，其出射的中屯、波長能對應到 丙烷的強吸收峰處，且隨溫度和電流調(diào)諧的范圍可覆蓋到整個丙烷的寬譜吸收，如選擇分 布反饋激光器(DFB)、量子級聯(lián)激光器(Q化）、帶間級聯(lián)激光器（I化）、垂直外腔面發(fā)射激光 器(VECS化)等。通過步進地控制可調(diào)諧半導體激光器的工作溫度和工作電流，使它在幾個 納米的調(diào)諧范圍內(nèi)出射的激光波長步進掃描增大，步進間隔可調(diào)，每出射一個波長的激光 就計算其經(jīng)過氣體吸收后的吸光度，最后計算出一個掃描周期內(nèi)發(fā)出的所有激光經(jīng)過氣體 吸收后的總吸光度。吸光度和丙烷氣體濃度成正比，從而探測出氣體濃度。該計算方法利用 丙烷在激光調(diào)諧的寬光譜范圍都有吸收的特點，通過計算總的吸收來探測氣體濃度，靈敏 度和動態(tài)范圍比一般的尋峰測量法要高。
[0042] 圖3給出了具體的步進掃描積分吸收法原理。若在一個掃描周期共步進掃描了 n個 點，則根據(jù)比爾--朗伯(Beer-Lambert)定律，在掃描第i個點時，有W下的吸收公式：Iti= = Ioi- e邱[(-a(i)化）];式中，It功穿過待測氣體后的透射光光強；Io功入射光光強;a(i)為 吸收系數(shù)，與氣體種類和穿過該氣體的光頻率有關(guān);C為待測氣體的體積濃度;L為待測氣體
的吸收長睛.且由吿成脅弈睛.i/Tn;、. IMn冬掃描占6脅弈睛
[0043] 而總 吸光度和氣體濃度C成正比。因此為了得到氣體濃度，則要得到每個掃描周期的總吸光度， 具體的步驟如下：
[0044] 步驟1，先在W氮氣為背景(參比氣體）下，步進掃描可調(diào)諧半導體激光器，掃描一 個周期，由于氮氣在運個波段范圍內(nèi)的吸收忽略不計，因此探測得到?jīng)]有任何氣體吸收的 原始光強1〇1，在沒有任何吸收情況下，原始光強隨著掃描呈線性增大，如圖2右邊的曲線4所 示，并且把原始光強的數(shù)據(jù)保存在微處理控制器的內(nèi)存中；
[0045] 步驟2,在實際環(huán)境中，在同樣的掃描范圍內(nèi)W同樣的步進掃描可調(diào)諧半導體激光 器，則探測得到經(jīng)過氣體吸收后的透射光強Iti,由于在激光掃描周期內(nèi)，具有寬譜吸收特征 的丙烷氣體其吸收強度先變大達到峰值后再變小，因此透射光強則先變小達到谷底后再變 大，如圖2右邊曲線3所示；
[0046] 步驟3,在每個掃描點時，每得到一個Iti后就調(diào)用內(nèi)存里的Ttn.誦討-In(Twloi)可 W得到該點下的吸光度A(i)，在一個掃描周期內(nèi)則得到總吸光度
[0047] 步驟4，由于吸光度和濃度C呈線性關(guān)系，則在一個掃描周期內(nèi)通過計算總吸光度， 就可W計算得到濃度c。
[004引如果需要更精確的結(jié)果，可W還包括步驟5,當?shù)玫揭粋€濃度C后，接著返回步驟2， 連續(xù)反復地進行濃度測量，然后通過數(shù)理統(tǒng)計方法提高測量精度。
[0049] 由此通過步進掃描可調(diào)諧激光器，當步進的間隔很小，則激光波長從低到高變化 的掃描點數(shù)很多，即n很大時，則可認為激光出射的波長在丙烷寬譜的吸收范圍內(nèi)連續(xù)變 化，可近似為一種離散的積分方法。
[0050] 圖4是開放氣室的光路示意圖。可調(diào)諧半導體激光器3從左邊發(fā)射出激光，半導體 激光器3發(fā)出的光有一定的發(fā)散，發(fā)射的激光經(jīng)準直透鏡4后會被約束準直，經(jīng)開放氣室后 到達聚焦透鏡6,而后被聚焦到紅外探測器7上。其中調(diào)整光路時可調(diào)諧半導體激光器3安裝 在準直透鏡4的前焦距附近，紅外探測器7安裝在聚焦透鏡6的后焦距附近。準直透鏡4和聚 焦透鏡6要能透過中/近紅外光，可選擇鍛膜的化F2透鏡。開放氣室安裝在含有丙烷的環(huán)境 中，其中光程長度可根據(jù)可調(diào)諧激光器3的光功率大小W及現(xiàn)場的環(huán)境狀況進行調(diào)整。
[0051] W上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，應理解的是，W上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在 本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護 范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種烷烴類氣體檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括： 控制單元（1)，用于以步進方式控制可調(diào)諧激光器(3)進行多次激光發(fā)射，發(fā)射激光的 波長覆蓋整個待檢測的烷烴類氣體的強吸收峰；以及用于控制紅外探測器(7)相應地進行 多次檢測，并對所述紅外探測器(7)的檢測信號進行處理； 可調(diào)諧激光器(3)，用于發(fā)射檢測激光，所述可調(diào)諧激光器(3)發(fā)射激光的波長能隨溫 度和電流調(diào)諧而覆蓋到整個待檢測的烷烴類氣體的寬譜吸收； 紅外探測器(7)，用于檢測經(jīng)過參比氣體或待檢測的烷烴類氣體的激光強度。2. 如權(quán)利要求1所述的烷烴類氣體檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述烷烴類氣體檢測系統(tǒng)還 包括開放氣室(5)，用于容納或接觸待檢測的所述烷烴類氣體； 作為優(yōu)選，所述開放氣室（5)的光程長度根據(jù)可調(diào)諧激光器的光功率大小及現(xiàn)場的環(huán) 境狀況進行調(diào)整;其中，所述現(xiàn)場的環(huán)境例如包括加油站、公路或碼頭。3. 如權(quán)利要求1所述的烷烴類氣體檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述烷烴類氣體檢測系統(tǒng)還 包括： 探測控制器(8)，用于對所述紅外探測器(7)進行偏壓和溫度控制； 跨阻放大器(9)，用于將所述紅外探測器(7)輸出的微電流信號放大成電壓信號； 第二級放大器（10)，用于將所述跨阻放大器(9)輸出的電壓信號調(diào)整到適合模數(shù)轉(zhuǎn)換 的輸入范圍。4. 如權(quán)利要求3所述的烷烴類氣體檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述探測控制器(8)、跨阻放 大器(9)、第二級放大器(10)與所述控制單元(1)集成在一塊電路主板上。5. 如權(quán)利要求4所述的烷烴類氣體檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述電路主板與所述可調(diào)諧 激光器(3)及紅外探測器(7)分開設(shè)置，通過遠程控制的方式與所述可調(diào)諧激光器(3)及紅 外探測器(7)連接。6. 如權(quán)利要求1所述的烷烴類氣體檢測系統(tǒng)，其特征在于，待檢測的所述烷烴類氣體為 丙烷、正丁烷或異丁烷。7. 如權(quán)利要求6所述的烷烴類氣體檢測系統(tǒng)，其特征在于，待檢測的所述烷烴類氣體為 丙烷；以及 所述可調(diào)諧激光器(3)發(fā)射的單模激光波長對應著丙烷在中/近紅外的強吸收峰處，其 中中紅外強吸收峰處在3.367-3.372μπι附近，近紅外強吸收峰處在1.686-1.687μπι附近。8. 如權(quán)利要求1所述的烷烴類氣體檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述可調(diào)諧激光器(3)為分 布反饋激光器DFB、量子級聯(lián)激光器QCL、帶間級聯(lián)激光器ICL或垂直外腔面發(fā)射激光器 VECSEL。9. 一種烷烴類氣體檢測方法，其特征在于，包括以下步驟： 通過步進地控制可調(diào)諧激光器的工作溫度和工作電流，使其在幾個納米的調(diào)諧范圍內(nèi) 出射的激光波長步進掃描增大； 每出射一次激光就計算其經(jīng)過氣體吸收后的吸光度； 最后計算出一個掃描周期內(nèi)發(fā)出的所有激光經(jīng)過氣體吸收后的總吸光度，根據(jù)總吸光 度和待檢測的所述烷烴類氣體濃度成正比，從而得到待檢測的所述烷烴類氣體的氣體濃 度。10. -種烷烴類氣體檢測方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1，以氮氣為參比氣體，以步進方式控制可調(diào)諧激光器發(fā)射激光，掃描一個周期，探 測得到原始光強IQl，其中i為步進的步數(shù)； 步驟2,在實際環(huán)境中，在同樣的掃描范圍內(nèi)以同樣的步進方式控制所述可調(diào)諧激光器 發(fā)射激光，則探測得到經(jīng)過待檢測的烷烴類氣體吸收后的透射光強Itl; 步驟3,在每個掃描點，通過-ln(Itl/IQl)得到該點下的吸光度A(i)，在一個掃描周期內(nèi) 得到總吸光度A = Σ?Ι?ΑΟΟ;其中η為步進的總步數(shù)； 步驟4,通過計算得到的總吸光度Α，計算得到待檢測的烷烴類氣體的氣體濃度C。
【文檔編號】G01N21/39GK105954229SQ201610252309
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月21日
【發(fā)明人】賴思良, 龔萍, 王輝, 高慧, 謝亮
【申請人】中國科學院半導體研究所