一种分布式红外激光多参数气体在线检测系统的制作方法

本发明涉及红外激光光谱技术领域，特别是一种分布式红外激光多参数气体在线检测系统。

背景技术：

金属冶炼实质上是原材料、燃料和成品的流转过程，在流转中伴随着大量气体产生，而在线检测分析这些过程气体，乃是冶金工业生产工艺优化控制、安全和环保监控必不可少的关键技术之一，这对降低能源消耗、保证生产安全等起着十分重要的作用。

在传统的气体浓度测量方法中，直接吸收测量技术的原理是通过被测气体对激光器发出的固定波长激光束的吸收度或者是用于表征气体对激光吸收强弱的光谱吸收率信号，反演气体的浓度等未知信息。该方法具有易于判断谱线间干扰以及各种外界噪声干扰，可以形象、直观得到浓度信号结果。然而，气相色谱法虽然具有高灵敏度与可靠性，但在取样过程中可能引入误差，从而影响测量精度。若要使测量效果达到最佳状态，需进行多次实验，求取平均值，后续处理工作量大，分析时间较长，难于实现在线实时检测。

基于气体分子对特定波长光的吸收作用，且吸收光强与气体浓度成正比关系，分布式红外气体激光在线检测技术是目前国内外较为先进的气体检测方法。它具有检测灵敏度高、响应速度快、选择性好、检测范围大、稳定性好等优点，适用于工业控制领域。但常用的单气体测量设备只能检测单一气体，多参数气体在线测量则是发展趋势。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种分布式红外激光多参数气体在线检测系统，其能够解决单一参数测量中检测周期长、效率低下的问题。

本发明的技术方案如下：

一种分布式红外激光多参数气体在线检测系统，其包括光源驱动模块、接收光纤、吸收气室、发送光纤、光电转换及信号处理模块；其还包括多个激光光源和一光源转换模块，这些激光光源之间具有不同的中心波长，所述光源转换模块实现不同激光光源间的切换使得同一时刻只有一个激光光源发出的光波经一组耦合透镜准直后聚焦到所述接收光纤内；接收光纤与所述吸收气室的一端连接，吸收气室的另一端与所述发送光纤连接，发送光纤传输出的光波经又一组耦合透镜准直后输出到所述光电转换及信号处理模块，从而检测出被测气体的二次谐波分量，计算出被测气体的浓度。

本发明采用不同中心波长的多个光源实现对多种气体浓度的在线检测，由于源转换模块的切换选择作用，本发明对外围的耦合透镜和光纤只需要一组，对外围的吸收气室和光电转换及信号处理模块只需要一个即可，分时复用，既实现了多参数的在线检测，也简化了系统结构、降低了系统成本。

进一步的，所述光源转换模块采用法兰盘固定所述多个激光光源，所述法兰盘在电机驱动下通过转动相应角度实现不同激光光源间的切换，所述吸收气室固定于被测现场。

多个激光光源采用这种安装方式，使用方便，且能够承受较大的压力，通过光纤把吸收气室的两端与光源输出端和信号采集端相连接，通过法兰盘的转换完成对不同光源的切换，从而实现多参数气体在线检测。

进一步的，所述激光光源采用可调谐二极管激光器，所述光源驱动模块包括信号发生电路、调制电路和温控电路，所述信号发生电路产生驱动激光光源发光的三角波电流，所述调制电路通过调制该三角波电流的直流分量使得激光光源发出的光波的中心波长正好对准被测气体的吸收峰，调制电路通过调制该三角波电流的交流分量使得激光光源发出的光的频率扫描的范围正好覆盖被测气体的某一个吸收峰；所述温控电路对激光光源进行恒温控制。

根据被测气体的吸收峰对应的波长，选择分布反馈式半导体激光器作为光源，其具有良好的线性可调谐关系，激光谱线线宽远小于吸收线宽，能够有效避免干扰造成的影响。调制电路对三角波电流的幅值和直流分量精确调制，使被测气体测量谱线处有较强的吸收峰，被测气体的吸收谱线强度比其他气体更为突出，与其他气体强度可明显区分，且其他气体产生的交叉干扰达到很小甚至没有，从而提高测量精度。

进一步的，所述激光光源包括发出中心波长为1567nm、1601nm和1665nm的三个可调谐二极管激光器。

本系统使用三种不同中心波长的半导体激光器作为光源，分别是用来检测冶金工业中产生一氧化碳、二氧化碳和甲烷气体。

进一步的，所述光电转换及信号处理模块包括光电探测器、前置放大电路、谐波检测电路和数据采集电路以及DSP处理器。

利用光电效应原理将输入的光信号转变为输出的电信号，从吸收气室出来的光包含了气体信息，经过光电探测器转换成电信号，再经过前置放大等处理，然后通过DSP数据处理，检测出二次谐波分量，进行运算或处理，完成信号分析与显示。

进一步的，所述光电探测器采用TO型InGaAs平面结构的光电二极管制作而成，低噪声、可靠性高、价格低。

本发明提出一种通过切换多个不同中心波长激光光源来实现多参数气体在线检测的方法，其分布式结构、成本低、装置简单以及使用寿命长。其能够针对冶金工业生产过程中产生的一氧化碳、二氧化碳和甲烷三种气体实现在线实时检测，克服了单一参数测量中检测周期长、效率低下的缺点；同时省去了庞大的气体吸收部分，使检测装置具有分布式、易于安装调试、成本低、使用寿命长等优点。

附图说明

图1为本发明一种分布式红外激光多参数气体在线检测系统的结构原理图；

图2为本发明中光源转换模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

一种分布式红外激光多参数气体在线检测系统，如图1所示，其包括光源驱动模块1、接收光纤51、吸收气室6、发送光纤52、光电转换及信号处理模块，其还包括多个激光光源和一光源转换模块，这些激光光源之间具有不同的中心波长，所述光源转换模块实现不同激光光源间的切换使得同一时刻只有一个激光光源发出的光波经一组耦合透镜4准直后聚焦到所述接收光纤内；接收光纤与所述吸收气室6的一端连接，吸收气室6的另一端与所述发送光纤连接，发送光纤传输出的光波经又一组耦合透镜4准直后输出到所述光电转换及信号处理模块，从而检测出被测气体的二次谐波分量，计算出被测气体的浓度。

所述光源转换模块采用法兰盘2对所述多个激光光源进行固定、连接以及切换。所述光源转换模块采用法兰盘2固定所述多个激光光源，所述法兰盘2在电机驱动下通过转动相应角度实现不同激光光源间的切换，所述吸收气室6固定于被测现场。以三个激光光源31、32、33为例，如图2所示，激光光源31、32、33等弧度地固定在法兰盘2上，电机驱动，一次切换法兰盘2只转动三分之一的弧度，一次检测中，切换三次即能完成三种气体参数的检测。当设计更多种中心波长不同的激光光源时，从而实现多参数气体在线检测。本发明中所使用的三个激光光源到达四公斤以上压力，法兰盘2采用焊接法兰的形式。

所述吸收气室6固定于被测现场。本发明将激光光源部分与吸收气室6分离开，而将吸收气室6固定于冶金工业现场，检测时，通过光纤把吸收气室6的两端与激光发生部分的输出端、信号采集端相连接，借以在线检测，从而使本检测系统便于携带、储存及维护保养，且降低了成本。

检测工作时，通过法兰盘2装置，切换激光器光源，在光源驱动模块1的作用下，发出被调制成不同中心波长的光，经光耦合透镜4进入接收光纤51，经由接收光纤51到达吸收气室6。光通过吸收气室6时，不同气体分别吸收不同波长成分的光强，再经由发送光纤52将携带有气体吸收信息的光信号传输到光电转换及信号处理模块转换成电信号，处理后检测出被测气体的二次谐波分量，从而计算出气体的浓度。该设计利用光纤做激光的长距离传输媒介，易于多路复用，缩短了测量周期、简化了测量操作。

被测气体吸收波长的选择应满足以下几个原则：(1)吸收谱线强度可以影响系统能达到的最小探测极限，因此被测气体测量谱线处要有较强的吸收峰；(2)所选用波长的激光器制造技术相对成熟，价格便宜，易于实现；(3)该波长必须与可调谐二极管激光器和光探测器所需要的波长相适应，使得硬件和软件的使用达到最佳状态；(4)该波长处，特征气体的吸收谱线强度应该比其他气体更为突出，与其他气体强度可明显区分，且其他背景气体的产生的交叉干扰应该很小甚至没有，从而提高测量精度。

所述激光光源采用可调谐二极管激光器，其作为光源检测某种气体时，需满足三个条件:(1)能够输出被测气体所选吸收峰处的波长；(2)能够在闭值范围内与注入电流存在良好的线性可调谐关系；(3)激光谱线线宽远小于吸收线宽。

所述光源驱动模块1包括信号发生电路、调制电路和温控电路，所述信号发生电路产生驱动激光光源发光的三角波电流，调制电路使得三角波电流的幅值和直流分量精确可调，通过调制三角波电流幅值控制激光光源的中心波长。该三角波电流用来驱动光源发光，精确调制该三角波电流的直流分量，就可以使得可调谐二极管激光器发出的光的中心波长正好对准被测气体的吸收峰，精确调制该三角波电流的交流分量，就可以使得可调谐二极管激光器发出的光的频率扫描的范围正好覆盖被测气体的某一个吸收峰。由于可调谐二极管激光器受温度影响其波长漂移比较严重，所以采用温控电路对可调谐二极管激光器进行恒温控制，使其工作在恒温状态。

因此，根据上述原则，通过分析气体吸收谱线图，为了避免干扰造成的影响，针对冶金工业生产中释放的一氧化碳、二氧化碳和甲烷三种气体吸收波长进行选取:选择1567nm作为一氧化碳(CO)特征吸收峰，选择1601nm作为二氧化碳(CO2)特征吸收峰，选择1665nm作为甲烷(CH4)特征吸收峰。即是，所述激光光源包括发出中心波长为1567nm、1601nm和1665nm的三个可调谐二极管激光器。

所述光电转换及信号处理模块包括光电探测器7、前置放大电路8、谐波检测电路9和数据采集电路10以及DSP处理器11。其中，光电探测器7是气体在线检测系统中的重要构件，其性能直接关系到整个系统性能的优劣，利用光电效应原理将输入的光信号转变为输出的电信号。系统所用的光电探测器7应满足以下条件：(1)与经过气体吸收池的光强和光谱特性相匹配，且应与前置放大器电路相匹配；(2)探测器在工作光谱范围内线性度非常好且灵敏度比较高；(3)价格低廉，响应速度快、长期性能稳定、响应频带宽、动态特性好；(4)器件自带噪声比较低、不受潮湿环境和外界温度的影响、信号的保真性能和可靠性高。按照以上条件要求，本次发明选用北京敏光科技有限公司的TO型InGaAs平面结构的光电二极管。其响应时间为40ns，光谱响应范围为800～1700nm，可以满足本系统需要。其特点包括：低噪声、可靠性高、价格低。从气室出来的光包含了气体信息，经过光电探测器7转换成电信号，再经过前置放大，然后通过DSP数据处理，检测出二次谐波分量，进行运算或处理，完成信号分析与显示。

检测气体时的操作方式如下：

将激光光源等部分与固定在冶金工业现场的吸收气室6通过光纤进行连接，当吸收气室6内不含工业过程所产生气体时，转动法兰盘2切换不同中心波长的光源，这时光电探测器7接收到的信号是光源调制信号，没有发生任何畸变。此时，由数据采集以及DSP处理器11运算出来的频谱只有光源所对应检测气体的一次谐波分量，没有二次谐波分量。当我们打开阀门，将工业过程气体充入吸收气室6时，光电探测器7所接收的信号发生了畸变，频谱图中也出现了相对应气体的二次谐波分量。