本發(fā)明涉及環(huán)境燃?xì)庑孤┨綔y(cè)，具體為一種基于參考光路消除激光器非線性影響的tdlas探測(cè)系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

1、液化石油氣(liquefiedpetroleum?gas，lpg)具有清潔低碳、來(lái)源豐富、可及性高、使用便捷、安全可控等優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的重要能源之一，為推動(dòng)我國(guó)城鎮(zhèn)燃?xì)馄占鞍l(fā)揮了十分重要的作用。丙烷(c3h8)是液化石油氣中含量最高的成分，其占比一般在90％以上，它是一種無(wú)色無(wú)味的氣體，具有較高的燃燒熱值和較低的沸點(diǎn)，因此在家庭和工業(yè)中廣泛應(yīng)用于燃燒和供暖，此外，它還在石化工業(yè)中被廣泛的用作原料，在空氣中的爆炸極限為2.2％～9.5％。近年來(lái)，液化石油氣在全國(guó)各氣源的使用用戶中的比重已經(jīng)將近百分之三十，是天然氣之外的能源結(jié)構(gòu)的重要補(bǔ)充，但在其用戶數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于天然氣的前提下，其事故數(shù)量及死傷人數(shù)占比均超過(guò)天然氣。因此針對(duì)安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體濃度的傳感器的研發(fā)至關(guān)重要。

2、目前主流的氣體探測(cè)器方案主要有半導(dǎo)體式、催化燃燒式、紅外吸收式以及激光式四種，根據(jù)研究的測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)，在家用和工商業(yè)場(chǎng)景的各種復(fù)雜狀況下，激光式氣體傳感器均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。同時(shí)光譜吸收法還具有精度高、響應(yīng)快、連續(xù)測(cè)量、不易受背景氣體干擾等優(yōu)點(diǎn)。

3、紅外吸收光譜在檢測(cè)可燃?xì)怏w(如丙烷)方面具有廣泛的潛力，然而，大部分傳統(tǒng)紅外光源(如燈和熱源)的不穩(wěn)定性和短壽命使得基于這些源的傳感器難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、穩(wěn)定和準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)?？烧{(diào)諧二極管激光吸收光譜(tdlas)是一種紅外吸收光譜技術(shù)，它使用可調(diào)諧二極管激光器，由于具有激光源穩(wěn)定、光譜分辨率高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于甲烷、乙烯、乙炔等多種可燃?xì)怏w的檢測(cè)。此外，與光纖組件相結(jié)合，tdlas可以為上述行業(yè)中的可燃?xì)怏w傳感提供理想的解決方案，因?yàn)樵趯?shí)際情況下使用時(shí)傳輸紅外激光進(jìn)行監(jiān)測(cè)非常簡(jiǎn)單，并且不需要再被監(jiān)測(cè)區(qū)域使用主電源，從而使這種傳感器具有本質(zhì)安全性，具有非常適合工業(yè)和家庭應(yīng)用的小型原位丙烷監(jiān)測(cè)的巨大潛力。

4、近年來(lái)tdlas技術(shù)廣泛應(yīng)用于各大商用及工業(yè)場(chǎng)景中，表現(xiàn)出了優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全等性能，但是傳統(tǒng)的tdlas方案在面對(duì)某些吸收系數(shù)較低的痕量氣體探測(cè)時(shí)，并沒(méi)有表現(xiàn)出符合人們預(yù)期的探測(cè)效果，這是由于激光器輸出的非線性效應(yīng)會(huì)在解調(diào)的波形上疊加一個(gè)干擾的噪聲信號(hào)，尤其是對(duì)于寬譜吸收的氣體而言，這一噪聲干擾更為明顯，使得探測(cè)靈敏度降低。

5、因此，如何提供一種高精度的痕量氣體探測(cè)系統(tǒng)和方法，尤其是針對(duì)寬譜吸收的痕量氣體的高精度探測(cè)系統(tǒng)和方法，成為了本領(lǐng)域技術(shù)人員急需解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決背景技術(shù)中的至少一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于參考光路消除激光器非線性影響的tdlas探測(cè)系統(tǒng)和方法，可以有效增加tdlas技術(shù)的探測(cè)精度，有效降低所需的光程池長(zhǎng)度。

2、為達(dá)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于參考光路消除激光器非線性影響的tdlas探測(cè)系統(tǒng)，包括：

3、激光器，所述激光器與1×2耦合器的輸入端連接；

4、光電探測(cè)器一，所述光電探測(cè)器一與1×2耦合器輸出端一連接；

5、氣室，所述氣室與所述1×2耦合器輸出端二連接；

6、光電探測(cè)器二，所述光電探測(cè)器二與所述氣室連接；

7、同步采集卡，所述同步采集卡與所述光電探測(cè)器一和所述光電探測(cè)器二連接；

8、激光器產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)激光，調(diào)制信號(hào)激光通過(guò)1×2耦合器分成兩路完全相同的激光，所述激光一直接由光電探測(cè)器一接收，激光二通過(guò)氣室后由光電探測(cè)器二接收，同步采集卡利用adc接收光電探測(cè)器一接收到的信號(hào)和光電探測(cè)器二接收到的信號(hào)，通過(guò)背景差值的二次諧波濃度解調(diào)法對(duì)探測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，得到氣室中氣體濃度。

9、進(jìn)一步地，所述氣室設(shè)有開(kāi)口一、開(kāi)口二和空腔，開(kāi)口二用于將空腔與光電探測(cè)器二連接；1×2耦合器設(shè)有輸入端、輸出端一、輸出端二，輸入端與激光器連接，輸出端一通過(guò)開(kāi)口一與空腔連接，輸出端二與光電探測(cè)器一連接。

10、進(jìn)一步地，還包括至少一個(gè)反射鏡，所述反射鏡安裝在所述空腔的內(nèi)壁上，所述激光器發(fā)出的調(diào)制信號(hào)激光通過(guò)所述反射鏡反射到所述光電探測(cè)器二上。

11、進(jìn)一步地，所述反射鏡為鍍金反射鏡。

12、進(jìn)一步地，所述氣室采用鋁材料加工，所述氣室的開(kāi)口一表面設(shè)置有帶有傾角的準(zhǔn)直鏡。

13、進(jìn)一步地，還包括激光器溫控芯片，所述激光器溫控芯片與激光器電連接，用于精確控制所述激光器的溫度。

14、進(jìn)一步地，背景差值的二次諧波濃度解調(diào)法為根據(jù)同步采集卡采集到的兩路光電探測(cè)器一與光電探測(cè)器二的信號(hào)對(duì)探測(cè)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)后進(jìn)行線性標(biāo)定，得到氣室中的氣體濃度。

15、一種基于參考光路消除激光器非線性影響的tdlas探測(cè)方法，包括：

16、激光器產(chǎn)生脈沖激光，脈沖激光通過(guò)1x2耦合器的輸入端分成兩束完全相同的激光傳輸?shù)捷敵龆艘缓洼敵龆硕?，激光一直接由光電探測(cè)器一接收產(chǎn)生探測(cè)信號(hào)，輸出端一輸出的激光在空腔中來(lái)回反射，通過(guò)開(kāi)口二入射到光電探測(cè)器二上使得光電探測(cè)器產(chǎn)生探測(cè)信號(hào)，兩路探測(cè)信號(hào)通過(guò)同步采集卡接受經(jīng)過(guò)pc數(shù)據(jù)處理，得到氣室中氣體濃度。

17、本發(fā)明的有益效果在于：

18、第一，氣室采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，可以方便外界氣體進(jìn)入所述空腔中進(jìn)行痕量氣體濃度探測(cè)；

19、第二，由于采用了參考光路的方案，相較于傳統(tǒng)的激光探測(cè)系統(tǒng)而言，可以消除激光器本身功率抖動(dòng)和剩余幅度噪聲的影響，也就是說(shuō)，本發(fā)明的tdlas探測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高精度測(cè)量；

20、第三，本發(fā)明的方法通過(guò)比較兩路信號(hào)，有效消除激光器輸出中的非線性影響，不僅降低了對(duì)激光器性能的高要求，同時(shí)也進(jìn)一步降低了整體成本。

技術(shù)特征：

1.一種基于參考光路消除激光器非線性影響的tdlas探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括：

2.如權(quán)利要求1所述的一種基于參考光路消除激光器非線性影響的tdlas探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述氣室設(shè)有開(kāi)口一、開(kāi)口二和空腔，開(kāi)口二用于將空腔與光電探測(cè)器二連接；1×2耦合器設(shè)有輸入端、輸出端一、輸出端二，輸入端與激光器連接，輸出端一通過(guò)開(kāi)口一與空腔連接，輸出端二與光電探測(cè)器一連接。

3.如權(quán)利要求2所述的一種基于參考光路消除激光器非線性影響的tdlas探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，還包括至少一個(gè)反射鏡，所述反射鏡安裝在所述空腔的內(nèi)壁上，所述激光器發(fā)出的調(diào)制信號(hào)激光通過(guò)所述反射鏡反射到所述光電探測(cè)器二上。

4.如權(quán)利要求3所述的一種基于參考光路消除激光器非線性影響的tdlas探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述反射鏡為鍍金反射鏡。

5.如權(quán)利要求4所述的一種基于參考光路消除激光器非線性影響的tdlas探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述氣室采用鋁材料加工，所述氣室的開(kāi)口一表面設(shè)置有帶有傾角的準(zhǔn)直鏡。

6.如權(quán)利要求5所述的一種基于參考光路消除激光器非線性影響的tdlas探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，還包括激光器溫控芯片，所述激光器溫控芯片與激光器電連接，用于精確控制所述激光器的溫度。

7.如權(quán)利要求1或6所述的一種基于參考光路消除激光器非線性影響的tdlas探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，背景差值的二次諧波濃度解調(diào)法為根據(jù)同步采集卡采集到的兩路光電探測(cè)器一與光電探測(cè)器二的信號(hào)對(duì)探測(cè)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)后進(jìn)行線性標(biāo)定，得到氣室中的氣體濃度。

8.一種基于參考光路消除激光器非線性影響的tdlas探測(cè)方法，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明關(guān)于一種基于參考光路消除激光器非線性影響的TDLAS探測(cè)系統(tǒng)和方法，涉及環(huán)境燃?xì)庑孤┨綔y(cè)技術(shù)領(lǐng)域。包括激光器與1×2耦合器的輸入端連接；光電探測(cè)器與1×2耦合器輸出端連接；氣室與1×2耦合器輸出端連接；光電探測(cè)器與氣室連接；激光器產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)激光，調(diào)制信號(hào)激光通過(guò)1×2耦合器分成兩路激光，激光由光電探測(cè)器接收，激光通過(guò)氣室后由光電探測(cè)器接收，同步采集卡利用ADC接收光電探測(cè)器一接收到的信號(hào)和光電探測(cè)器接收到的信號(hào)，通過(guò)背景差值的二次諧波濃度解調(diào)法對(duì)探測(cè)信號(hào)處理，得到氣室中氣體濃度。本發(fā)明可以有效增加TDLAS技術(shù)的探測(cè)精度，有效降低所需的光程池長(zhǎng)度，有效降低整體成本。

技術(shù)研發(fā)人員：國(guó)偉華,楊天朗,陸巧銀
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華中科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30