专利名称：一种多组分复用测量的激光气体分析仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种激 光气体分析仪，尤其涉及ー种多组分复用测量的激光气体分析仪。
背景技术：
半导体激光气体分析仪是ー种“实吋”、“在线”的气体监测装置，常用于石化、钢铁、水泥、环保、エ业在线监控等领域。激光气体分析仪是ー种高灵敏度的气体分析手段，其原理是特定波长的激光通过气体后，因受气体特定吸收峰的吸收，产生光强的衰減。光强的衰减可用Beer-Lambert定律准确描述
/(v) ニ Z0(V)f3pトS(TMv)PJZ]
其中,(V)斗)分别是激光通过气体后，通过气体前的光強，V是激光的频率，P，X和L
分别是气体的压力、浓度和光程。线强S (T)是温度T的函数，线性函数我V)表示吸收谱线的形状。由Beer-Lambert定律可知,光强的衰减和被测气体的浓度成正比，从而可以通过测量激光通过气体后的衰减获得被测气体的浓度。同吋，由于DFB激光器的发射峰很窄(小于15MHz)，工作时可以选择单根气体吸收谱线进行测量，不受其他气体的干扰，具有很高的測量灵敏度。相对于传统的点接触式传感器(如氧化锆等)，激光气体分析仪由于采用“原位”式測量，能够检测一条光路上的待测气体浓度，所以能够更真实的反应测量现场的气体浓度。特别对于ー些測量体积较大的环境，如大型锅炉中的过程气体測量等，激光气体分析仪能够更“准确”，更“实时”的反应过程气体的浓度，同时维护少，具有很大的应用优势。エ业生产领域，可能需要在多个位置，同时测量多种组分的过程气体浓度。如大型燃烧锅炉中需要准确测量CO，C02, 02等多种特征气体浓度才能对燃烧效率进行优化控制。同时，由于大型锅炉体积较大，单个探測点不能有效反映锅炉整体浓度，所以还需要在多个測量点对多种特征气体浓度进行測量。但是，普通的激光气体分析仪每台仪器只能測量一种特征气体的浓度，如果在现场多个位置測量多种特征气体的浓度，就要布置许多台分析仪，现场安装会非常复杂、混乱。甚至在ー些位置无法提供如此多的焊接法兰开孔，无法进行特征气体浓度的測量。解决这种问题最好的方法是将测量多种气体的各种波长激光复用到同一条光路上，只通过ー对焊接法兰即可获得多种特征气体的浓度。
发明内容
本发明目的就是为了克服已有技术的缺陷，提供ー种结构简单、加工容易、引入光学噪声可能性最小的多组分复用测量的激光气体分析仪。本发明是通过以下技术方案实现的
一种多组分复用测量的激光气体分析仪，包括有激光器驱动控制电路、三个封装激光器、光纤合束器、准直透镜、光接收模块和信号处理与显示模块，第一个封装激光器测量氧气的浓度，第二和第三个封装激光器分别测量一氧化碳和ニ氧化碳的浓度，所述的激光器驱动控制电路调制、驱动所述的三个封装激光器发出不同波长的激光，其中第一个封装激光器发出的激光波长为0. 7Mm,第二和第三个封装激光器发出的激光波长均为I. 5Mm,三个封装激光器的尾纤上分別接有ー根单模光纤，三根单模光纤经过所述的光纤合束器后合成为光纤束，激光从光纤束的尾部射出并入射到所述的准直透镜上，经过准直后的激光穿过待测气体进入所述的光接收模块进行收集光、分光探測，将经过分光探測后的光信号传输到所述的信号处理与显示模块，信号处理与显示模块对光信号进行平均、滤波、非线性拟合算法处理后，获得三种气体的浓度，井分别将浓度值显示出来。
本发明的特征还在于所述的单模光纤的截止波长大于各种激光中最大的波长，保证各种激光在单模光纤中传输保持单模，避免了光纤多模引起的光学噪声；所述的光接收模块通过电缆将信号传输到信号处理与显示模块；所述的分光探測具体方法为时分复用或波分复用方法；所述的光接收模块内使用了大直径的聚焦透镜收集激光，以补偿由于光纤束中各光纤发光位置不一引起的准直发射角有所差别的问题，如图2所示的软件模拟結果，可知采用大直径的聚焦透镜完全可以补偿光纤束带来的发射角差别的影响；可根据所要测 量的气体的不同，使封装激光器发出与所要测量的气体相对应波长的激光；根据所要測量的气体种类的多少，可増加或減少封装激光器的数量，达到测量多种气体浓度的目的。本发明测量各种过程气体浓度的封装激光器经过激光器驱动控制电路调制、驱动，获得所需调制的激光输出，封装激光器输出的激光经单模光纤传输，图I中采用三个封装激光器分别测量氧气、一氧化碳和ニ氧化碳的浓度，其波长范围为0. 7M 到I. 5Mm，采用波分复用合束的方式很难在如此宽的带宽内对光强进行很好的合束；另ー方面，激光气体分析仪常用于测量痕量气体浓度，其分辨率需达到KT5-IO'采用波分复用技术对光纤进行融拉很容易引入光纤的光学噪声，降低激光气体分析仪的性能。本发明采用光纤束的办法将各种激光复用到同一光路，经过准直透镜准直后，射入待测现场进行气体浓度测量。经过待测气体后的激光经过接收、分光系统对每个波长的激光光强进行測量。光强测量结果经电缆接入信号处理模块。信号处理模块对探測信号进行处理，获得所需检测的多种过程气体的实时浓度。图2所示为光纤束截面和ZEMAX软件模拟的准直光束偏离角度。本发明采用标准的单模光纤进行各种波长激光的传输，标准单模光纤的包层直径为128um。理想情况，光纤束每两跟光纤纤芯之间的间距为128um。此时，从图2下部模拟软件结果可见，因为光纤束中各跟光纤发光位置不同而引起的准直光偏离角度并不大。接收端采用大直径的聚焦透镜完全能够消除准直发射光微小偏离角的影响。另ー方面，相对波分复用合束方法，采用光纤束对各种激光进行合束的方法因为不对单模光纤进行融拉处理，可避免引入光学干扰，保证激光气体分析仪的性能不会因为单光路复用而降低。本发明的优点是本发明采用光纤合束的方式将多种波长的激光进行复用探測，这种方法可有效避免因波分复用装置加工问题而引入的光学噪声，提高仪器测量浓度的准确度，并可降低成本。
图I是本发明的整体结构图。
图2是光纤束复用结构与软件模拟准直光束偏离角。
具体实施例方式如图I所示，一种多组分复用测量的激光气体分析仪，包括有激光器驱动控制电路I、三个封装激光器2、光纤合束器3、准直透镜6、光接收模块7和信号处理与显示模块8，第一个封装激光器测量氧气的浓度，第二和第三个封装激光器分别测量一氧化碳和ニ氧化碳的浓度，所述的激光器驱动控制电路I调制、驱动所述的三个封装激光器2发出不同波长的激光，其中第一个封装激光器发出的激光波长为0. 7Mm,第二和第三个封装激光器发出的激光波长均为I. 5Mm，三个封装激光器2的尾纤上分別接有ー根单模光纤3，三根单模光纤3经过所述的光纤合束器4后合成为光纤束5，激光从光纤束5的尾部射出并入射到所述的准直透镜6上，经过准直后的激光穿过待测气体进入所述的光接收模块7进行收集光、分光探測，分光探測具体方法为时分复用或波分复用方法，将经过分光探測后的光信号传输 到所述的信号处理与显示模块8，信号处理与显示模块8对光信号进行平均、滤波、非线性拟合算法处理后，获得三种气体的浓度，井分别将浓度值显示出来。所述的单模光纤3的截止波长大于各种激光中最大的波长，保证各种激光在单模光纤3中传输保持单模,避免了光纤多模引起的光学噪声；所述的光接收模块7通过电缆将信号传输到信号处理与显示模块8 ;所述的光接收模块7内使用了大直径的聚焦透镜收集激光，以补偿由于光纤束5中各光纤发光位置不一引起的准直发射角有所差别的问题，如图2所示的软件模拟结果，可知采用大直径的聚焦透镜完全可以补偿光纤束5带来的发射角差别的影响；可根据所要測量的气体的不同，使封装激光器2发出与所要测量的气体相对应波长的激光；根据所要測量的气体种类的多少，可増加或減少封装激光器2的数量，达到测量多种气体浓度的目的。
权利要求
1.一种多组分复用测量的激光气体分析仪，其特征在于包括有激光器驱动控制电路、三个封装激光器、光纤合束器、准直透镜、光接收模块和信号处理与显示模块，第一个封装激光器测量氧气的浓度，第二和第三个封装激光器分别测量一氧化碳和ニ氧化碳的浓度，所述的激光器驱动控制电路调制、驱动所述的三个封装激光器发出不同波长的激光，其中第一个封装激光器发出的激光波长为0. 7Mm,第二和第三个封装激光器发出的激光波长均为I. 5Mm，三个封装激光器的尾纤上分別接有ー根单模光纤，三根单模光纤经过所述的光纤合束器后合成为光纤束，激光从光纤束的尾部射出并入射到所述的准直透镜上，经过准直后的激光穿过待测气体进入所述的光接收模块进行收集光、分光探測，将经过分光探測后的光信号传输到所述的信号处理与显示模块，信号处理与显示模块对光信号进行平均、滤波、非线性拟合算法处理后，获得三种气体的浓度，井分别将浓度值显示出来。
2.根据权利要求I所述的多组分复用测量的激光气体分析仪，其特征在于所述的单模光纤的截止波长大于三种激光中最大的波长。
3.根据权利要求I所述的多组分复用测量的激光气体分析仪，其特征在于所述的光接收模块通过电缆将光信号传输到信号处理与显示模块。
4.根据权利要求I所述的多组分复用测量的激光气体分析仪，其特征在于所述的光接收模块内使用了大直径的聚焦透镜收集激光。
5.根据权利要求I所述的多组分复用测量的激光气体分析仪，其特征在于所述的分光探測具体方法为时分复用或波分复用方法。
6.根据权利要求I所述的多组分复用测量的激光气体分析仪，其特征在于根据所要测量的气体的不同，使封装激光器发出与所要测量的气体相对应波长的激光；根据所要测量的气体种类的多少，可増加或減少封装激光器的数量。
全文摘要
本发明公开了一种多组分复用测量的激光气体分析仪，包括有激光器驱动控制电路、三个封装激光器、光纤合束器、准直透镜、光接收模块和信号处理与显示模块，所述的激光器驱动控制电路调制、驱动所述的三个封装激光器发出不同所需调制波长的激光，各个封装激光器发出的激光通过单模光纤传输，单模光纤经过光纤合束器合为光纤束，激光从光纤束的尾部射出，通过准直透镜准直后进入光接收模块进行收集、分光探测，将分光探测后的信号传输到信号处理与显示模块进行处理后得到所需检测的多种气体的实时浓度。本发明采用光纤束的方式将多种波长的激光进行复用探测，这种方法可有效避免因波分复用装置加工问题而引入的光学噪声，提高仪器测量浓度的准确度，并可降低成本。
文档编号G01N21/39GK102654455SQ20121010608
公开日2012年9月5日 申请日期2012年4月12日 优先权日2012年4月12日
发明者刘平, 阎杰, 黄文平 申请人:安徽皖仪科技股份有限公司