專利名稱：一種半導(dǎo)體激光吸收光譜氣體分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體參數(shù)分析方法，更具體地說，涉及一種利用半導(dǎo)體激光氣體吸收光譜分析氣體參數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光吸收光譜氣體分析技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用的氣體分析技術(shù)。該技術(shù)通常使用單模半導(dǎo)體激光器，單模半導(dǎo)體激光器發(fā)射出的頻率與被測氣體某一吸收譜線中心頻率相同的光束穿過被測氣體時，被測氣體的這一吸收譜線對測量光束能量的吸收導(dǎo)致測量光強度的衰減。半導(dǎo)體激光穿過被測氣體的光強衰減可用Beer-Lambert關(guān)系準(zhǔn)確表述Iv＝Iv，0T(v)＝Iv，0exp[-S(T)g(v-v0)PXL]Iv，0和Iv分別表示頻率為v的激光入射時和經(jīng)過壓力P、濃度X和光程L的氣體后的光強，S(T)表示氣體吸收譜線的譜線強度，線形函數(shù)g(v-v0)表征該吸收譜線的形狀。由Beer-Lambert關(guān)系可知，光強度的衰減與被測氣體含量、溫度、壓力等相關(guān)，因此，通過測量光強度衰減信息就可以分析獲得被測氣體的相關(guān)參數(shù)。
例如，在已知被測氣體的壓力P、溫度T、光程L和某一氣體吸收譜線的譜線強度S(T)時，可通過測量出該氣體吸收譜線的吸收光譜，然后利用上述Beer-Lambert關(guān)系來測量氣體的濃度。再例如，利用上述Beer-Lambert關(guān)系測量出同一氣體成分的兩條被測氣體吸收譜線的吸收光譜，從而測量獲得該譜線對的線強之比。該譜線對在溫度為T時的線強之比為R=S1(T0)S2(T0)exp[-(hck)(E1′′-E2′′)(1T-1T0)]]]>其中，S(T0)為參考溫度T0下被測吸收譜線的線強，h為普朗克常數(shù)，c為光速，k為玻爾茲曼常數(shù)，E″為吸收譜線躍遷對應(yīng)的低能級能量，下標(biāo)1、2分別對應(yīng)譜線對中的兩條譜線。由上式可見，線強比值R是溫度T的函數(shù)。因此，通過測量比值R就可以測量氣體溫度T。該比值與譜線對的下能級差有關(guān)，因此，譜線對的選擇會直接影響氣體溫度的測量精度，選擇合理的譜線對于氣體溫度測量至關(guān)重要。
為了測量獲得氣體吸收譜線的吸收光譜信號，需要把半導(dǎo)體激光的頻率調(diào)到被測氣體吸收譜線的中心頻率處(固定頻率分析技術(shù))或掃描過被測氣體吸收譜線(頻率掃描分析技術(shù))。如圖1所示，單模半導(dǎo)體激光器如DFB、DBR、VCSEL等的輸出頻率隨溫度增加而單調(diào)減小，隨電流增加也單調(diào)減小。因此，改變半導(dǎo)體激光器輸出光頻率的方法有兩種，一是通過改變半導(dǎo)體激光器的工作溫度(通常指激光器座的溫度，而不是結(jié)溫)，另一種是通過改變半導(dǎo)體激光器的工作電流。通常，第一種方法的時間響應(yīng)慢一些，但頻率調(diào)整范圍大一些，第二種方法的時間響應(yīng)快一些，但頻率調(diào)整范圍小一些。通常，半導(dǎo)體激光吸收光譜氣體分析技術(shù)通過設(shè)置合適的半導(dǎo)體激光器工作溫度和工作電流使半導(dǎo)體激光器的光頻率位于被測氣體吸收譜線的中心頻率處。如果采用頻率掃描測量技術(shù)，則同時給半導(dǎo)體激光器注入一定頻率的鋸齒波或三角波電流使光頻率掃描過整條吸收譜線來獲得完整的高分辨率吸收光譜信號。
為保證半導(dǎo)體激光器在穩(wěn)定的工作溫度下工作，上述吸收光譜氣體分析技術(shù)一般使用半導(dǎo)體熱電制冷器(TEC)，通過控制其工作電流來穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器的工作溫度。它能以0.001攝氏度的精度將半導(dǎo)體激光器加熱或冷卻，其動態(tài)范圍可達60℃。
半導(dǎo)體熱電制冷器是利用珀耳帖(Peltier)于1834年所觀察到的，將電流以不同方向通過雙金屬片所構(gòu)成的結(jié)時能對與其相接觸的物體制冷或加熱的所謂珀耳帖效應(yīng)而實現(xiàn)的。現(xiàn)在的半導(dǎo)體熱電制冷器是利用兩塊重?fù)讲煌愋碗s質(zhì)的半導(dǎo)體使之在電學(xué)上串聯(lián)、熱學(xué)上并聯(lián)所構(gòu)成的熱電偶。需要對激光器降溫時，其冷端從半導(dǎo)體激光器座處吸收熱并將熱排放到周圍環(huán)境中；需要對激光器加熱時，TEC從周圍環(huán)境吸收熱并將熱傳遞到半導(dǎo)體激光器座處。
從熱負(fù)載抽運熱量的速率取決于TEC模塊所含熱電偶的數(shù)量、通過電流的大小、模塊的平均溫度以及其兩端的溫差。從熱端所散出的總功率可表示為QH=QC+ITECV=QC(1+1E)]]>上式中，QC為從半導(dǎo)體熱電制冷器冷端抽運的熱功率；ITEC和V分別為加于半導(dǎo)體熱電制冷器上的電流和壓降；E為半導(dǎo)體熱電制冷器的性能系數(shù)。
如圖2所示，一種典型半導(dǎo)體熱電制冷器的抽運熱功率QC和性能系數(shù)E、驅(qū)動電流ITEC的關(guān)系。由圖可見，若需在冷和熱端產(chǎn)生40℃的溫差，需要在半導(dǎo)體熱電制冷器上加3A的電流才能從熱負(fù)載上抽運5W的熱功率。在工作點所對應(yīng)的性能系數(shù)只有35％，由上式可知，總熱耗散功率為19W，可見，實現(xiàn)5w的制冷功率需要額外消耗電路能量14W。
盡管采用半導(dǎo)體熱電制冷器能夠較精確地控制半導(dǎo)體激光器的工作溫度，但是該方案具有以下缺點1)需要使用TEC以及專門設(shè)計的控制和驅(qū)動電路，成本較高；2)TEC的工作電流和功耗較大，制冷的效率低，在使用自備電源時工作時間較短，同時發(fā)出的較大熱量增加了熱設(shè)計的復(fù)雜性和難度，從而較難實現(xiàn)氣體分析系統(tǒng)的小型化和便攜化；3)很多應(yīng)用場合需要分析系統(tǒng)具有防爆功能，大工作電流導(dǎo)致無法或較難實現(xiàn)本安防爆設(shè)計，另外，TEC以及控制和驅(qū)動電路導(dǎo)致較大的體積，這也會增加隔爆設(shè)計的復(fù)雜性。上述缺點限制了使用TEC的半導(dǎo)體激光吸收光譜氣體分析系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明提供了一種不需要TEC的低成本、低功耗、小體積以及易于實現(xiàn)本安和隔爆等防爆功能的半導(dǎo)體激光吸收光譜氣體分析方法。
本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案得以實現(xiàn)的一種半導(dǎo)體激光吸收光譜氣體分析方法，所述方法包括以下步驟a.確定半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍和工作電流范圍；b.根據(jù)被測氣體的吸收譜線特性，以及所述半導(dǎo)體激光器的工作電流范圍和工作溫度范圍，在所述半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍內(nèi)劃分出至少二個工作溫度區(qū)間和至少一個無吸收譜線溫度區(qū)間，使任一工作溫度區(qū)間對應(yīng)被測氣體的至少一條吸收譜線；c.測得所述半導(dǎo)體激光器的工作環(huán)境溫度T，當(dāng)所述工作環(huán)境溫度T處于步驟b中劃分出的一工作溫度區(qū)間內(nèi)時，確定與該工作溫度區(qū)間對應(yīng)的吸收譜線為擬使用的吸收譜線，同時該工作環(huán)境溫度T作為工作溫度Twork；當(dāng)所述工作環(huán)境溫度Twork處于所述一無吸收譜線溫度區(qū)間內(nèi)時，通過加熱使所述半導(dǎo)體激光器的工作溫度Twork進入步驟b中劃分出的一工作溫度區(qū)間內(nèi)，確定與該工作溫度區(qū)間對應(yīng)的吸收譜線為擬使用的吸收譜線；d.根據(jù)所述半導(dǎo)體激光器的工作溫度Twork和步驟c確定的吸收譜線的中心頻率，確定并調(diào)整所述半導(dǎo)體激光器的工作電流；e.所述半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光穿過被測氣體并被接收；對接收到的光信號進行吸收光譜分析，得到被測氣體的被測參數(shù)并顯示。
在氣體分析過程中，重復(fù)所述步驟c、d和e。
所述步驟a中，確定所述半導(dǎo)體激光器的工作環(huán)境溫度范圍[T1，T2]，選擇的半導(dǎo)體激光器的額定工作溫度范圍為[T3，T4]，應(yīng)使T4≥T2＞T3；當(dāng)T3≤T1時，所述半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍為[T1，T4]；當(dāng)T3＞T1時，所述半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍為[T3，T4]。
所述步驟b為確定所述半導(dǎo)體激光器的最大輸出光頻率范圍，并在所述最大輸出光頻率范圍內(nèi)選擇至少兩條被測氣體的吸收譜線；確定與所述選擇譜線分別對應(yīng)的激光器最大工作溫度區(qū)間；在所述工作溫度范圍內(nèi)劃分出至少二個工作溫度區(qū)間和至少一個無吸收譜線溫度區(qū)間，使任一工作溫度區(qū)間對應(yīng)被測氣體的至少一條吸收譜線。
當(dāng)被測參數(shù)是濃度時，還對測得的被測氣體濃度值進行補償X補＝K內(nèi)·K外·X測，K內(nèi)為同一工作溫度區(qū)間內(nèi)的氣體濃度補償系數(shù)，K外為跨工作溫度區(qū)間的氣體濃度補償系數(shù)，X測為測得的氣體濃度值。
所述同一工作溫度區(qū)間內(nèi)的氣體濃度補償系數(shù)K內(nèi)由實驗確定測得所述半導(dǎo)體激光器在同一工作溫度區(qū)間內(nèi)的不同工作溫度下的氣體濃度值，以一參考工作溫度下的濃度值為參考值，確定把該工作溫度區(qū)間內(nèi)其它工作溫度對應(yīng)的濃度值補償?shù)絽⒖贾档南禂?shù)，得到在該工作溫度區(qū)間內(nèi)與工作溫度相對應(yīng)的補償系數(shù)K內(nèi)。
所述跨工作溫度區(qū)間的氣體濃度補償系數(shù)K外由實驗確定測得所述半導(dǎo)體激光器在不同工作溫度區(qū)間內(nèi)的參考工作溫度下的氣體濃度值，以一工作溫度區(qū)間內(nèi)的參考工作溫度下的濃度值為參考值，確定把其它工作溫度區(qū)間內(nèi)參考工作溫度下測得的濃度值補償?shù)絽⒖贾档南禂?shù)，得到與工作溫度區(qū)間相對應(yīng)的補償系數(shù)K外。
本發(fā)明的技術(shù)原理是由于被測氣體吸收譜線的離散性，在半導(dǎo)體激光器的一些工作環(huán)境溫度范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)工作電流是能夠把激光器的輸出光頻率調(diào)諧到被測氣體的一些吸收譜線處，而在另一些工作環(huán)境溫度范圍內(nèi)則不能；再有，也不是所有的吸收譜線都能應(yīng)用于測量環(huán)境中。故而在半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍內(nèi)劃分出與被測氣體合適的吸收譜線對應(yīng)的工作溫度區(qū)間和無吸收譜線溫度區(qū)間，當(dāng)測得的半導(dǎo)體激光器的工作環(huán)境溫度處在所述工作溫度區(qū)間內(nèi)時，該工作溫度區(qū)間對應(yīng)的吸收譜線為擬使用的吸收譜線；當(dāng)處在所述無吸收譜線溫度區(qū)間內(nèi)時，通過加熱使半導(dǎo)體激光器的工作溫度進入到一所述的工作溫度區(qū)間內(nèi)，該工作溫度區(qū)間對應(yīng)的吸收譜線為擬使用的吸收譜線。故而，在半導(dǎo)體激光器的工作環(huán)境溫度范圍內(nèi)任一溫度，通過確定和調(diào)整工作電流使半導(dǎo)體激光器的輸出光頻率對應(yīng)被測氣體的吸收譜線，從而接收并分析穿過被測氣體的光，計算得到被測參數(shù)并顯示。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點1)由于是利用測得的工作環(huán)境溫度去確定半導(dǎo)體激光器的工作溫度，進而可以使用不同的工作溫度區(qū)間對應(yīng)的吸收譜線，避免了始終使用高溫區(qū)間對應(yīng)的吸收譜線，延長了激光器的使用壽命。2)半導(dǎo)體激光器不需要制冷，因此無需使用TEC，可以簡單地采用功率電阻作為加熱器件，控制和驅(qū)動電路相比更加簡單，降低了相應(yīng)分析系統(tǒng)的成本。3)與使用TEC制冷不同，功率電阻制熱沒有額外功率消耗，因此效率更高，應(yīng)用此方法的分析系統(tǒng)的工作電流和功耗都更小，使用自備電源時工作時間較長，發(fā)出的熱量較小，易實現(xiàn)熱設(shè)計，進而實現(xiàn)了分析系統(tǒng)的小型化和便攜化，如開發(fā)手持式氣體分析裝置，拓展氣體分析系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。4)無需使用TEC和專門的TEC控制和驅(qū)動電路后，降低了分析系統(tǒng)的體積，同時分析系統(tǒng)的工作電流較小，易于實現(xiàn)本安防爆和隔爆。


圖1是一半導(dǎo)體激光器的輸出頻率與工作溫度、工作電流關(guān)系圖；圖2是一TEC的工作參數(shù)關(guān)系示意圖；
圖3是應(yīng)用本發(fā)明方法的氣體濃度分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明方法的流程示意圖；圖5是一半導(dǎo)體激光器工作溫度區(qū)間劃分示意圖；圖6是一半導(dǎo)體激光器的使用壽命與工作溫度關(guān)系示意圖；圖7是同一工作溫度區(qū)間內(nèi)的補償系數(shù)與工作溫度關(guān)系圖；圖8是應(yīng)用本發(fā)明方法的氣體流速分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是多普勒頻移示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述。
實施例1如圖3所示，一種半導(dǎo)體激光吸收光譜甲烷濃度分析系統(tǒng)，包括光發(fā)射單元、光接收單元11和分析單元12。該分析系統(tǒng)采用激光頻率掃描吸收光譜分析技術(shù)。
所述光發(fā)射單元包括半導(dǎo)體激光器1、激光器座2、熱敏電阻3和5、電流源9、驅(qū)動電路8、控制裝置7、加熱塊4及其驅(qū)動電路6。半導(dǎo)體激光器1安裝在激光器座2上，熱敏電阻3安裝于激光器座2上接近半導(dǎo)體激光器1的位置，監(jiān)測半導(dǎo)體激光器1的工作溫度，熱敏電阻3的信號送入控制裝置7，經(jīng)控制裝置7處理后去控制半導(dǎo)體激光器1的工作電流及溫度?？刂蒲b置7根據(jù)輸入的熱敏電阻3信號，判斷激光器是否工作于指定溫度。熱敏電阻5用于測得半導(dǎo)體激光器所處工作環(huán)境的溫度。半導(dǎo)體激光器1的工作電流由電流源9提供，電流源9的驅(qū)動電路8由直流偏置電路81和交流信號發(fā)生電路82組成。直流偏置電路81產(chǎn)生一個直流信號，用于控制半導(dǎo)體激光器1的平均工作電流，調(diào)整半導(dǎo)體激光器1的輸出中心頻率；交流信號發(fā)生電路82產(chǎn)生一個三角波電流(峰峰值為0.21mA，頻率為1Hz)，使半導(dǎo)體激光器1的輸出頻率掃過被測甲烷的吸收譜線，同時該電路還在上述三角波電流上疊加一正弦波電流(峰峰值為0.17mA，頻率為1kHz)，用于實現(xiàn)二階調(diào)制吸收光譜。
一種半導(dǎo)體激光吸收光譜甲烷濃度分析方法，也即上述甲烷濃度分析系統(tǒng)的工作過程，如圖4所示，所述方法包括以下步驟
a.確定半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍和工作電流范圍。
針對該甲烷濃度分析系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，所述半導(dǎo)體激光器的工作環(huán)境溫度范圍為[T1，T2]，本實施例為[5℃，55℃]。雖然由于分析系統(tǒng)中的電子部件會產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器1的所處的工作環(huán)境溫度會比分析系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度略高一些，但可以近似為相同。
選擇的半導(dǎo)體激光器的額定工作溫度范圍為[T3，T4]，應(yīng)使T4≥T2＞T3。當(dāng)T3≤T1時，所述半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍為[T1，T4]。當(dāng)T3＞T1時，所述半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍為[T3，T4]，此時，當(dāng)半導(dǎo)體激光器的工作環(huán)境溫度低于額定工作溫度范圍的下限時，通過所述加熱塊使半導(dǎo)體激光器1的工作溫度位于額定工作溫度范圍內(nèi)。本實施例選擇一VCSEL型半導(dǎo)體激光器，額定工作溫度范圍為
。由前述工作溫度范圍的定義可知，半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍為[5℃，65℃]。
所述半導(dǎo)體激光器1的工作電流范圍為[3mA，7mA]，其中3mA是半導(dǎo)體激光器工作的閾值電流，7mA是額定最大工作電流。
b.確定半導(dǎo)體激光器在所述工作溫度和電流范圍內(nèi)的最大輸出光頻率范圍，根據(jù)被測氣體的吸收譜線特性，在所述最大輸出光頻率范圍內(nèi)選擇至少兩條合適的被測氣體吸收譜線；根據(jù)半導(dǎo)體激光器的工作電流范圍，確定與所述選擇的任一吸收譜線對應(yīng)的半導(dǎo)體激光器最大工作溫度區(qū)間，使在所述最大工作溫度區(qū)間內(nèi)時可通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器的工作電流使半導(dǎo)體激光器的輸出光頻率對應(yīng)于所述吸收譜線；在所述半導(dǎo)體激光器工作溫度范圍內(nèi)劃分出至少二個工作溫度區(qū)間和至少一個無吸收譜線溫度區(qū)間，使任一工作溫度區(qū)間對應(yīng)至少一條被測氣體的吸收譜線，并且與所述吸收譜線對應(yīng)的工作溫度區(qū)間被與該吸收譜線對應(yīng)的最大工作溫度區(qū)間所覆蓋；把所述劃分出的工作溫度區(qū)間及其對應(yīng)的吸收譜線的光譜數(shù)據(jù)、無吸收譜線溫度區(qū)間存儲在所述控制裝置內(nèi)。
如圖6所示，半導(dǎo)體激光器的使用壽命和其工作溫度有關(guān)，隨著半導(dǎo)體激光器工作溫度的升高，使用壽命逐漸下降。因此，為了延長半導(dǎo)體激光器的使用壽命，應(yīng)當(dāng)避免使所述半導(dǎo)體激光器一直工作在高溫區(qū)間。故而根據(jù)被測氣體的吸收譜線特性，在半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍內(nèi)劃分出至少兩個有吸收譜線的溫度區(qū)間和至少一個無吸收譜線溫度區(qū)間。
上述合適譜線指的是針對該甲烷分析系統(tǒng)的應(yīng)用場合，對于需要的甲烷濃度分析功能來說性能較好的譜線，如沒有背景氣體干擾、譜線線強足夠強等。上述譜線也可以是靠近的若干譜線的集合，或重疊的若干譜線組成的譜線族。
所述半導(dǎo)體激光器1的頻率-電流和頻率-溫度特性都是非線性的，其輸出光頻率的電流、溫度特性可以用下式描述v＝v0-k1I-k2I2-k3T-k4T2…近似為v≈v0-kII-kT·T所述半導(dǎo)體激光器1的具體參數(shù)為v0＝6055.2cm-1；k1＝1.295cm-1/mA，kT＝0.478cm-1/℃。在半導(dǎo)體激光器1的工作溫度范圍[5℃，65℃]和工作電流范圍[3mA，7mA]內(nèi)，半導(dǎo)體激光器1的最大輸出光頻率范圍為[6014.98cm-1，6048.93cm-1]。
如圖5所示，在[6014.98cm-1，6048.93cm-1]頻率范圍內(nèi)，甲烷的合適譜線共有4條，針對每一譜線，根據(jù)半導(dǎo)體激光器1的工作電流范圍[3mA，7mA]，確定與該譜線對應(yīng)的最大工作溫度區(qū)間，見表一。
表一

可見，工作溫度區(qū)間[63.7℃，65℃]不在半導(dǎo)體激光器的工作環(huán)境溫度范圍[5℃，55℃]內(nèi)，但為了使在半導(dǎo)體激光器工作環(huán)境溫度范圍內(nèi)的溫度范圍(52.5℃，55℃]內(nèi)有可使用的被測氣體的吸收譜線，故而保留吸收譜線1。
在半導(dǎo)體激光器1的工作溫度范圍[5℃，65℃]內(nèi)劃分出與上述4條吸收譜線分別對應(yīng)的四個工作溫度區(qū)間和三個無吸收譜線溫度區(qū)間(9.2℃，19.9℃)、(30.8℃，41.6℃)、(52.5℃，55℃]。溫度區(qū)間(55℃，63.7℃)不在半導(dǎo)體激光器的工作環(huán)境溫度范圍內(nèi)，無需考慮。
倘若所述半導(dǎo)體激光器的工作環(huán)境溫度范圍為[5℃，52℃]，雖然在半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍[5℃，65℃]內(nèi)對應(yīng)有四條甲烷的吸收譜線，但由表一可知，吸收譜線2對應(yīng)的工作溫度區(qū)間已經(jīng)包含了工作環(huán)境溫度的最大值52℃，所以只選用吸收譜線2、3、4即可。
在選擇譜線時還要考慮到在被測環(huán)境中有沒有其他氣體譜線的干擾等諸多因素。另外，為了減少測量的復(fù)雜度，通常選取的譜線數(shù)目也不宜太多。例如，在上述半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍內(nèi)有四條甲烷的吸收譜線，但是吸收譜線4有較大的背景氣體交叉干擾，因此，可以只選擇譜線1、2和3，而把吸收譜線4剔除掉。這樣，原本在工作溫度區(qū)間[5℃，9.2℃]內(nèi)對應(yīng)的是吸收譜線4，但由于其他原因剔除掉了吸收譜線4，故而溫度區(qū)間[5℃，9.2℃]也變成了無吸收譜線溫度區(qū)間。
c.測得所述半導(dǎo)體激光器的工作環(huán)境溫度T，當(dāng)所述工作環(huán)境溫度T處于步驟b中劃分出的一工作溫度區(qū)間內(nèi)時，確定與該工作溫度區(qū)間對應(yīng)的被測氣體的吸收譜線為擬使用的吸收譜線，同時所述工作環(huán)境溫度T作為半導(dǎo)體激光器的工作溫度Twork；當(dāng)所述工作環(huán)境溫度T處于所述無吸收譜線溫度區(qū)間內(nèi)時，通過加熱使所述半導(dǎo)體激光器的工作溫度Twork進入步驟b中劃分出的工作溫度區(qū)間內(nèi)，確定與該工作溫度區(qū)間對應(yīng)的被測氣體的吸收譜線為擬使用的吸收譜線。
根據(jù)熱敏電阻5測得所述半導(dǎo)體激光器1的工作環(huán)境溫度為18℃，由上述可知，與工作環(huán)境溫度18℃對應(yīng)的是無吸收譜線溫度區(qū)間(9.2℃，19.9℃)。此時，控制裝置7控制所述加熱塊4工作，同時通過熱敏電阻3監(jiān)控，從而使所述半導(dǎo)體激光器1的工作溫度升高，如至24℃，進入到步驟b中劃分出的工作溫度區(qū)間，如[19.9℃，30.8℃]，該工作溫度區(qū)間與吸收譜線3對應(yīng)，即吸收譜線3為擬使用的吸收譜線。
如熱敏電阻5測得所述半導(dǎo)體激光器1所處環(huán)境的溫度為53℃，該溫度處在無吸收譜線溫度區(qū)間(52.5℃，55℃]內(nèi)，但可以利用加熱塊4使半導(dǎo)體激光器的工作溫度Twork升高，如至65℃(該溫度已經(jīng)超出所述半導(dǎo)體激光器的工作環(huán)境溫度范圍)，加熱后的溫度65℃進入工作溫度區(qū)間[63.7℃，65℃]內(nèi)，該工作溫度區(qū)間與吸收譜線1對應(yīng)，即吸收譜線1為擬使用的吸收譜線。
可見，在半導(dǎo)體激光器的工作環(huán)境溫度范圍[5℃，55℃]內(nèi)任一溫度，都可以確定出擬使用的吸收譜線。
本實施例是根據(jù)半導(dǎo)體激光器工作環(huán)境溫度所在的溫度區(qū)間，確定出擬使用的被測氣體的吸收譜線，而不是把半導(dǎo)體激光器的工作溫度始終設(shè)定在高溫工作區(qū)間[63.7℃，65℃]，只利用該高溫工作區(qū)間所對應(yīng)的被測氣體吸收譜線1。這樣，就避免了使半導(dǎo)體激光器始終工作在高溫區(qū)間，從而延長了半導(dǎo)體激光器的使用壽命。
d.根據(jù)半導(dǎo)體激光器的工作溫度Twork和步驟c確定的吸收譜線的中心頻率，確定和調(diào)整半導(dǎo)體激光器的工作電流，使半導(dǎo)體激光器的輸出光頻率對應(yīng)于由步驟b確定的擬使用的吸收譜線。
根據(jù)步驟c中的半導(dǎo)體激光器1被加熱后的工作溫度Twork為24℃，所在的工作溫度區(qū)間為[19.9℃ 30.8℃]，表一給出了與該工作溫度區(qū)間對應(yīng)的參考工作溫度Tref和參考工作電流Iref分別為25℃和5.14mA；在上述參考工作溫度和電流情況下的半導(dǎo)體激光器1的輸出光頻率位于吸收譜線2的中心頻率處。
半導(dǎo)體激光器1被加熱后的工作溫度為24℃時，根據(jù)半導(dǎo)體激光器1的輸出頻率-溫度和輸出頻率-電流特性，確定和調(diào)整半導(dǎo)體激光器1的直流工作電流Iwork=Iref-kTkI·(Twork-Tref)=5.51mA]]>從而使所述半導(dǎo)體激光器1的輸出光頻率掃描過吸收譜線2。上述過程都是在控制裝置7內(nèi)完成。
e.半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光穿過被測氣體并被接收；對接收到的光信號進行吸收光譜分析，得到被測氣體的被測參數(shù)并顯示。
所述半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的激光穿過被測甲烷10后被光接收單元11接收；把接收到的光信號送分析單元12獲得二階調(diào)制吸收光譜并進行分析，利用常規(guī)方法得到被測甲烷10的濃度。
對于常規(guī)的控制半導(dǎo)體激光器溫度為常溫的二階調(diào)制吸收光譜分析技術(shù)，其濃度測量公式為X測＝K(S2f/I0)(B(Pref，Tref，Sref)/B(P，T，S))，其中S2f是二次諧波信號峰峰值，I0為光強信號的直流分量，參數(shù)B(P，T，S)用于修正二次諧波信號峰峰值隨被測氣體溫度T、壓力P和線強S的變化(包含了氣體溫度變化導(dǎo)致的線強變化和不同譜線之間的線強變化)，可由基礎(chǔ)光譜數(shù)據(jù)計算得到，也可根據(jù)實驗測得，系數(shù)K是與儀器相關(guān)的標(biāo)定系數(shù)，它由通入已知濃度的氣體標(biāo)定獲得。
對于本發(fā)明提出的對半導(dǎo)體激光器工作溫度分區(qū)間而非控制為常溫的技術(shù)方案，還需對測得的被測氣體濃度值進行補償，具體公式為X補＝Ki，內(nèi)Ki，外K(S2f/I0)(Bi(Pref，Tref，Sref)/Bi(P，T，S))＝Ki，內(nèi)(Twork)Ki，外X測，其中下標(biāo)i給出半導(dǎo)體激光器的工作溫度落在第i個工作溫度區(qū)間內(nèi)，Bi(P，T，S)用于修正采用與第i個工作溫度區(qū)間對應(yīng)的吸收譜線時的二次諧波信號峰峰值與被測氣體溫度、壓力和線強的變化關(guān)系，Ki，內(nèi)是同一工作溫度區(qū)間內(nèi)的氣體濃度補償系數(shù)，用于補償半導(dǎo)體激光器在第i個工作溫度區(qū)間內(nèi)任意工作溫度時的測得濃度值與工作溫度為該溫度區(qū)間內(nèi)的參考工作溫度Ti，ref時的濃度值的相對變化；Ki，內(nèi)是跨工作溫度區(qū)間的氣體濃度補償系數(shù)，用于補償采用與不同工作溫度區(qū)間對應(yīng)的不同吸收譜線導(dǎo)致的測得濃度值的相對變化。
如表二所示，在所述半導(dǎo)體激光器1的一個工作溫度區(qū)間內(nèi)改變半導(dǎo)體激光器工作溫度，如19.9℃到30.8℃之間，以某一溫度如25℃為基準(zhǔn)，記錄不同工作溫度下分析系統(tǒng)的測得濃度值，實驗結(jié)果表明補償前濃度誤差小于±2％。如表三所示，在所述半導(dǎo)體激光器1的不同工作溫度區(qū)間內(nèi)，如5℃到65℃之間，以25℃為基準(zhǔn)，也即不同譜線對應(yīng)的濃度測量誤差在補償前小于±3％。濃度誤差由半導(dǎo)體激光的工作狀態(tài)如工作電流等的微小差異所致。為了得到更高的測量精度，需根據(jù)上述濃度補償公式對所述測得濃度值進行補償。
所述同一工作溫度區(qū)間內(nèi)的補償系數(shù)Ki，內(nèi)由以下方法確定實驗測得半導(dǎo)體激光器1在某一工作溫度區(qū)間如[19.9℃，30.8℃]內(nèi)的參考工作溫度如25℃和其他一些工作溫度如23℃、24℃、29℃和30℃時的被測氣體濃度值X，在這些工作溫度時的補償系數(shù)Ki，內(nèi)為在參考工作溫度下測得濃度與這些工作溫度下測得濃度的比值；對在這些離散工作溫度下的補償系數(shù)進行線性或者高階擬合(如圖7所示)，就可得到在這一工作溫度區(qū)間內(nèi)的補償函數(shù)Ki，內(nèi)(Twork)，把得到的所述補償函數(shù)存儲進所述分析單元12。當(dāng)測得所述半導(dǎo)體激光器的工作溫度Twork，就可以根據(jù)所述補償函數(shù)Ki,內(nèi)(Twork)得到與所述Twork對應(yīng)的補償系數(shù)。
實驗結(jié)果表明，根據(jù)上述濃度補償方法，采用三階擬合，不同工作溫度下的濃度誤差小于0.1％。
所述跨工作溫度區(qū)間的氣體濃度補償系數(shù)Ki，外可通過如下方法獲得實驗測得在半導(dǎo)體激光器1的不同工作溫度區(qū)間內(nèi)的參考工作溫度如5℃、25℃和45℃時的被測氣體濃度X，對應(yīng)這些工作溫度區(qū)間的氣體濃度補償系數(shù)Ki，外為25℃時測得濃度與在上述不同參考工作溫度下測得濃度的比值，把得到的所述補償系數(shù)存儲進所述分析單元12。
表二同一工作溫度區(qū)間內(nèi)的濃度測量補償

表三不同工作溫度區(qū)間的濃度測量補償

根據(jù)步驟b中半導(dǎo)體激光器的工作溫度被加熱為24℃，依據(jù)常規(guī)方法測得甲烷的濃度值為X測＝2.11％。還需對測得的濃度值進行補償X補＝Ki，內(nèi)(Twork)Ki，外X測，工作溫度24℃處于工作溫度區(qū)間[19.9℃，30.8℃]內(nèi)，分析單元12調(diào)用該工作溫度區(qū)間內(nèi)的補償函數(shù)，得到與工作溫度24℃對應(yīng)的同一工作溫度區(qū)間的氣體濃度補償系數(shù)K內(nèi)＝0.995，跨工作溫度區(qū)間的氣體濃度補償系數(shù)K外＝1，故而得到補償濃度值為X補＝2.10％，得到的補償濃度值顯示在所述分析單元12的顯示屏上。
在分析氣體過程中，重復(fù)上述步驟c、d和e。如，在上次測量完成之后，還要利用熱敏電阻5測得激光器的工作環(huán)境溫度，并根據(jù)測得的溫度決定所述加熱塊4是否需要工作。如測得工作環(huán)境溫度下降到8℃，處在工作溫度區(qū)間[5℃，9.2℃]內(nèi)，此時加熱塊4停止工作，半導(dǎo)體激光器的工作溫度從24℃冷卻到8℃，進而利用吸收譜線4。如測得工作環(huán)境溫度為35℃，與該溫度對應(yīng)的是無吸收譜線溫度區(qū)間(30.8℃，41.6℃)，則加大所述加熱塊4的加熱功率，使所述半導(dǎo)體激光器1的工作溫度從24℃升高到進入工作溫度區(qū)間[41.6℃，52.5℃]內(nèi)，如45℃，與該工作溫度區(qū)間對應(yīng)的吸收譜線為譜線2，根據(jù)加熱后的工作溫度45℃和吸收譜線2，進而確定和調(diào)整所述半導(dǎo)體激光器1的工作電流，從而得到被測甲烷的濃度。
所述控制裝置7還記錄熱敏電阻3測得的半導(dǎo)體激光器1的工作溫度，用于補償后續(xù)濃度計算結(jié)果。
實施例2一種半導(dǎo)體激光吸收光譜氣體分析方法，應(yīng)用在管道中甲烷的流速測量。如圖8所示，所述流速測量系統(tǒng)與實施例1中甲烷濃度分析系統(tǒng)不同的是半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的光通過透鏡14射入被測管道13內(nèi)，激光束與被測氣體流向的夾角為α＝45°，激光束穿過透鏡15后被光接收單元11接收。具體的流速分析方法包括以下步驟a.具體過程與實施例1中的步驟a相同；b.具體過程與實施例1中的步驟b相同；c.測得半導(dǎo)體激光器1的工作環(huán)境溫度為35℃，位于無吸收譜線溫度區(qū)間(30.8℃，41.6℃)，此時控制裝置7控制所述加熱塊4加熱所述半導(dǎo)體激光器1，使所述半導(dǎo)體激光器1的工作溫度升高為46℃，工作溫度46℃處在工作溫度區(qū)間[41.6℃，50℃]內(nèi)，相對應(yīng)的吸收譜線為譜線1，其中心頻率為6026.24cm-1；吸收譜線1即為擬使用的吸收譜線；d.確定半導(dǎo)體激光器1的工作電流為5.38mA，具體過程與實施例1中的步驟d相同；e.半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的光穿過被測甲烷并被光接收單元11接收；對接收到的光信號進行吸收光譜分析，進而得到被測甲烷的流速并顯示。
當(dāng)輸出頻率為v0的激光束穿過流速為V的甲烷，甲烷分子吸收譜線中心頻率產(chǎn)生多普勒頻移(Doppler-shift)，多普勒頻移量由下式描述
ΔvDoppler=vc·v0·cosα]]>ΔvDoppler為多普勒頻移量，α為激光束與甲烷流向的夾角，v0是甲烷吸收譜線的中心頻率，c是光速。
測量出吸收譜線的多普勒頻移量就可計算出甲烷的流速VV=ΔvDopplerv0·ccosα]]>如圖9所示，圖中實線代表頻移前的波形，虛線為頻移后的波形；測得多普勒頻移量ΔvDoppler＝2.573×10-3cm-1，進而得到流速為83.34m/s并顯示。
在測量管道內(nèi)甲烷流速的過程中，重復(fù)所述步驟c、d和步驟e。每次都重新測得半導(dǎo)體激光器的工作環(huán)境溫度，并根據(jù)工作環(huán)境溫度去確定擬使用的被測氣體的吸收譜線，進而根據(jù)半導(dǎo)體激光器的工作溫度和擬使用的吸收譜線確定和調(diào)整激光器的工作電流，從而得到被測甲烷的流速。
需要指出的是，上述實施方式不應(yīng)理解為對本發(fā)明保護范圍的限制。比如，上述實施例的步驟c中，當(dāng)所述半導(dǎo)體激光器的工作環(huán)境溫度處在某一工作溫度區(qū)間時，盡管該工作溫度區(qū)間對應(yīng)有吸收譜線，但倘若此吸收譜線在該測量瞬間的特性不是很好，例如背景氣體干擾較大，也可以通過加熱半導(dǎo)體激光器，使激光器的工作溫度進入對應(yīng)干擾較小的吸收譜線的工作溫度區(qū)間，此時，該干擾較小的譜線為擬使用的吸收譜線。本發(fā)明的關(guān)鍵是，在半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍內(nèi)劃分出至少兩個工作溫度區(qū)間以及至少一個無吸收譜線溫度區(qū)間，使任一工作溫度區(qū)間對應(yīng)被測氣體的至少一條吸收譜線；根據(jù)測得的半導(dǎo)體激光器的工作環(huán)境溫度來選擇測量用的氣體吸收譜線，進而利用該吸收譜線得到被測氣體的參數(shù)，如濃度、流速、溫度等。在不脫離本發(fā)明精神的情況下，對本發(fā)明作出的任何形式的改變均應(yīng)落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體激光吸收光譜氣體分析方法，所述方法包括以下步驟a.確定半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍和工作電流范圍；b.根據(jù)被測氣體的吸收譜線特性，以及所述半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍和工作電流范圍，在所述半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍內(nèi)劃分出至少二個工作溫度區(qū)間和至少一個無吸收譜線溫度區(qū)間，使任一工作溫度區(qū)間對應(yīng)被測氣體的至少一條吸收譜線；c.測得所述半導(dǎo)體激光器的工作環(huán)境溫度T，當(dāng)所述工作環(huán)境溫度T處于步驟b中劃分出的一工作溫度區(qū)間內(nèi)時，確定與該工作溫度區(qū)間對應(yīng)的吸收譜線為擬使用的吸收譜線，同時該工作環(huán)境溫度T作為半導(dǎo)體激光器的工作溫度Twork；當(dāng)所述工作環(huán)境溫度T處于所述一無吸收譜線溫度區(qū)間內(nèi)時，通過加熱使所述半導(dǎo)體激光器的工作溫度Twork進入步驟b中劃分出的一工作溫度區(qū)間內(nèi)，確定與該工作溫度區(qū)間對應(yīng)的吸收譜線為擬使用的吸收譜線；d.根據(jù)所述半導(dǎo)體激光器的工作溫度Twork和步驟c確定的吸收譜線的中心頻率，確定并調(diào)整所述半導(dǎo)體激光器的工作電流；e.所述半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光穿過被測氣體并被接收；對接收到的光信號進行吸收光譜分析，得到被測氣體的被測參數(shù)并顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于在氣體分析過程中，重復(fù)所述步驟c、d和e。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分析方法，其特征在于所述步驟a中，確定所述半導(dǎo)體激光器的工作環(huán)境溫度范圍[T1，T2]，選擇的半導(dǎo)體激光器的額定工作溫度范圍為[T3，T4]，應(yīng)使T4≥T2＞T3；當(dāng)T3≤T1時，所述半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍為[T1，T4]；當(dāng)T3＞T1時，所述半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍為[T3，T4]。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的分析方法，其特征在于所述步驟b中，確定所述半導(dǎo)體激光器的最大輸出光頻率范圍，并在所述最大輸出光頻率范圍內(nèi)選擇至少兩條被測氣體的吸收譜線；確定與所述選擇譜線分別對應(yīng)的激光器最大工作溫度區(qū)間；在所述工作溫度范圍內(nèi)劃分出至少二個工作溫度區(qū)間和至少一個無吸收譜線溫度區(qū)間，使任一工作溫度區(qū)間對應(yīng)被測氣體的至少一條吸收譜線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分析方法，其特征在于當(dāng)被測參數(shù)是濃度時，還對測得的被測氣體濃度值進行補償X補＝K內(nèi)·K外·X測，K內(nèi)為同一工作溫度區(qū)間內(nèi)的氣體濃度補償系數(shù)，K外為跨工作溫度區(qū)間的氣體濃度補償系數(shù)，X測為測得的氣體濃度值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的分析方法，其特征在于所述同一工作溫度區(qū)間內(nèi)的氣體濃度補償系數(shù)K內(nèi)由實驗確定測得所述半導(dǎo)體激光器在同一工作溫度區(qū)間內(nèi)的不同工作溫度下的氣體濃度值，以一參考工作溫度下的濃度值為參考值，確定把該工作溫度區(qū)間內(nèi)其它工作溫度對應(yīng)的濃度值補償?shù)絽⒖贾档南禂?shù)，得到在該工作溫度區(qū)間內(nèi)與工作溫度相對應(yīng)的補償系數(shù)K內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分析方法，其特征在于所述跨工作溫度區(qū)間的氣體濃度補償系數(shù)K外由實驗確定測得所述半導(dǎo)體激光器在不同工作溫度區(qū)間內(nèi)的參考工作溫度下的氣體濃度值，以一工作溫度區(qū)間內(nèi)的參考工作溫度下的濃度值為參考值，確定把其它工作溫度區(qū)間內(nèi)參考工作溫度下測得的濃度值補償?shù)絽⒖贾档南禂?shù)，得到與工作溫度區(qū)間相對應(yīng)的補償系數(shù)K外。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體激光吸收光譜氣體分析方法，所述方法包括以下步驟a.確定半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍和工作電流范圍；b.在所述半導(dǎo)體激光器的工作溫度范圍內(nèi)劃分出至少二個工作溫度區(qū)間和至少一個無吸收譜線溫度區(qū)間，使任一工作溫度區(qū)間對應(yīng)被測氣體的至少一條吸收譜線；c.測得所述半導(dǎo)體激光器的工作環(huán)境溫度T，根據(jù)所述工作環(huán)境溫度T確定擬使用的被測氣體的吸收譜線；d.根據(jù)半導(dǎo)體激光器的工作溫度T
文檔編號G01N21/39GK101017135SQ20071006751
公開日2007年8月15日 申請日期2007年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月2日
發(fā)明者王健, 顧海濤, 劉立鵬 申請人:王健