专利名称：气体检测的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个检测气体的方法和设备。
在油、气体、化学制品、石油化学制品、矿业和水生产中，能够精确而可靠地监测爆炸和有毒气体的浓度是很重要的，在这些地方有毒或爆炸气体的聚积或逸出会严重影响工厂的安全。
用光导纤维联接气体传感器是刚刚被提出来的技术，它与普通的电化学、Pellistor、半导体和火焰离子化气体检测器相比有几个优点，这些优点包括化学惰性、对中毒的不敏感性、抗电磁干扰性、高灵敏度、稳定性和在爆炸环境中操作的安全性。这种传感器还可用于分离的传感系统，以减少大规模工业生产系统中多点监测所需传感器的费用。
硅光导纤维是可以买到的，但这种纤维只限于用在近红外波长区(0.8μm-1.8μm)。这是因为在紫外、可见和中红外区光谱中硅光导纤维有相当高的损耗。但是，在近红外区许多普通污染物都有谐波和联合吸收带，並且已被建议在光导纤维气体检测器中利用这些吸收带。但是，这些吸收带比在中红外区的气体分子主要吸收带弱得多，因此，检测ppm级的气体浓度就需要长的吸收光路，而采用长的吸收光路则需要高强度的光。在遥测应用中就存在上述问题。传感器输出的校正也是一个问题，因为保证传感器输出的变化应仅仅来自被测气体浓度的变化，这一点是极其重要的。
本发明的目的是给出一种检测气体的设备和方法，它们排除了或减少了上述存在的问题。
本发明提出了一个检测吸收池内预定气体的设备，它包括一个红外激光光源;一个控制装置，控制从激光光源发出、经光导纤维、到与一个吸收池联接的传感器的光传输;该吸收池吸收的激光波长随时间在至少两个波长间变化，这两个波长之一被所说的气体吸收，另一个不易被所说的气体吸收;一个用于检测吸收池中所述气体对所述激光波长的吸收信号的装置;以及用于把监控值的大小与吸收池中所说气体的检测值相比较的装置。
激光光源可以是一个多模激光光源，它的第一个模式是在所述的一个波长，而第二个模式是在所述的另一个波长;一个可调谐滤光器插在激光光源和吸收池之间，光传输控制装置控制滤光器的调谐，从而使第一或第二模式的激光交替通过吸收池。激光光源最好是一个激光二极管，它是温度调谐的，以使它的最强纵模与气体的最大吸收频率相一致。滤光器可以是法布里-珀罗(Fobry-Perot)滤光器，它的自由光谱范围小于激光谐振腔的自由光谱范围。
在另一个方案中，激光光源是一个可调谐激光二极管，它的输出直接通过吸收池，而且具有一个调谐激光波长的装置，以使波长扫描跨越所说气体容易吸收的波长。该激光二极管可用两个正弦调制重叠的电流驱动，而检测装置可以包括一个在正弦调制频率之一的倍频处工作的同步检测器，因此，给出一个二次谐波信号值正比于所述气体浓度。激光二极管的频率可以通过改变二极管电流或改变二极管的温度而变化。
现在，通过举例並参照附图来描述本发明的实施例。
图1示出了在近红外光谱区一些普通污染物的吸收带。
图2最上面的图形是一个被测气体的吸收谱，中间的图形是一个市售激光二极管的输出光谱，下面的图形是无控制输入时法布里-珀罗滤光器的透过峰(实线)和有预定控制输入时法布里-珀罗滤光器的透过峰(虚线)，示出了因控制输入而形成的透过峰的位置漂移。
图3示出甲烷的γ2+2γ3联合吸收光谱。
图4是本发明气体传感器的方框图。
图5表示在图4中当吸收池交替排空或充满不同浓度甲烷时传感器输出信号的记录图形。
图6表示在图4中的传感器随甲烷浓度变化的输出变化，虚线指出空气中甲烷的低爆炸限。
图7表示图4的传感器在短和长时间内监测吸收池中40τ甲烷时的输出信号。
图8是本发明的第二个实施例的气体传感器的示意图。
图9示出由图8实施例得到的输出。
图10示出在一确定温度范围内从图8所示方案得到的交替输出。
图11示出图8实施例中的传感器输出与检测气体浓度变化之间的关系。
通过适当选择和使用市售的温度调谐激光二极管，本发明能够检测图1中大多数气体，而且比光发射二极管和热光源的输出有较高的能量，因此使用激光二极管就可以应用长光路的多程吸收池和长的光导纤维。本发明基于利用所测污染气体对激光光源所发射的不同波长的差动吸收。激光光源、辐射检测器及所联接的电处理装置可以远离吸收池，经过光导纤维将辐射传输到吸收池並从吸收池传出。光导纤维和遥远吸收池允许监测恶劣环境、电噪声环境、以及电仪器的应用受限制的地区和视线测量不可能或不方便地区的应用。
近红外激光二极管通常在激光二极管谐振腔的自由光谱范围内以几个分立频率的纵模发出辐射。图2中的中间图形示出一个公知激光二极管的发射光谱，这个激光二极管可温度调谐，以使它的纵模之一与所测气体吸收线一致。图2中上面的图形示出所测气体的吸收光谱，若将激光二极管的输出光准直，並且这个准直光束进入一扫描标准具(法布里-珀罗滤光器)，该标准具的自由光谱范围小于激光二极管谐振腔的自由光谱范围，这个标准具可以调谐，以使之在与气体吸收相一致的激光模下谐振，若将一个方波电压应用到控制元件上，例如扫描标准具的压电元件上，调节这个电压的大小，以使一个激光二极管的邻近模式进入标准具形成谐振(图2中下面的图形)，然后，这个标准具在激光的两个模之间交替转换。由于这两种激光模仅有一种为所测气体吸收，因而就可检测这种气体的存在及其浓度。
通过将激光二极管调谐到合适的波长，可能获得很高的选择性，由于采用差动吸收技术和利用单个发光二极管检测两个波长，从而消除了与检测器的响应相匹配有关的问题。
图3至图7示出了检测氮气中甲烷气体的本发明的实施例。图3给出甲烷的γ2+2γ3联合带，在γ2+2γ3联合带的Q分支中1.331μm处出现最大吸收，参见图4，一个GaInAsp激光二极管(1)(Lasertron，QLM1300SM)选择在1.33/μm发射，由电源和温度控制电路(2)进行温度调谐，以使激光器最强的纵模与甲烷的γ2+2γ3带的Q分支的最大吸收一致，激光二极管的输出用显微镜物镜(3)准直、而准直光束通过扫描标准具(4)。
用分束器(5)取出标准具的输出，並用一个Ge光电二极管(6)监测。一个可移动的参照气体吸收池(7)放在监控光电二极管前，简化了使二极管波长调到吸收峰的调谐步骤，控制器(8)接收来自伺服机构(9)的输入，以达到对标准具(4)的精细调谐，伺服机构顺序地接收相敏检测器(10)和(11)的反馈输入，该相敏检测器通过前置放大器(12)联接到检测器(6)。监控检测器(6)的输出是通过相敏检测器(10)和(11)在标准具扫描频率和激光二极管电流的较高调制频率下同步检测的。
主光束通过标准具(4)射入50/125μm多模光导纤维段(13)，这个光导纤维经过梯度折射率透镜(15)传导这个光束到遥远吸收池(14)，这个吸收池的输出经过透镜(16)射入另一个50/125μm光导纤维段(17)，该光导纤维将这个信号传送回到第二个Ge检测光电二极管(18)，这个光电二极管的输出由前置放大器(19)放大，並用相敏检测器(20)，(21)在与监控光电二极管(6)输出同样的两个频率下同步检测，这两个频率输出的比率正比于气体的吸收，因此，正比于气体浓度。用已知浓度气体充满参照气体池，监控光电二极管(6)的输出可用于这个系统的校正。
上述系统已用一米单程长吸收池检测过甲烷，图5给出当吸收池交替排空和装满不同浓度甲烷时这个系统的响应，把输出信号对在吸收池中气体浓度作图得一校正曲线。从图6可以看到，对甲烷低浓度浇咏 0τ时输出呈很好的线性，用40τ甲烷充满吸收池並监测10小时的输出，测试了这个系统的稳定性。在这个期间输出信号的波动和漂移小于1%，如图7所示。
上述系统有好的稳定性，並且用监控光电二极管(6)的输出连续校正这个系统，可以在很长时间保持稳定。激光二极管的能量允许使用长光路多程吸收池，例如White吸收池，以增加光路的长度，不需要用冷却检测器，从而提高灵敏度，用多程吸收池可使检测器达到10ppm量级的灵敏度，使传感器适于应泛的应用。
图8给出一个适于二次谐波检测的传感器方框图。激光二极管(22)的输出用透镜(23)和(24)聚焦进入光导纤维(25)，并由梯度折射率透镜(26)联接到White吸收池(27)，吸收池(27)含有被检测的气体样品，进入White吸收池的光多次反射到梯度折射率透镜(28)，这个透镜把这束光送入光导纤维(29)。通过光导纤维(29)传导的光由透镜(30)聚焦到二极管(31)，二极管的输出经过前置放大器(32)馈送到锁定放大器(33)。锁定放大器(33)从调制振荡器(34)接收一个同步输入，这个振荡器也控制电源和温度控制器(35)，这个控制器(35)控制激光二极管(22)的工作，另一个温度控制器(36)维持检测器(31)的稳定性。
电源和温度控制器(35)控制激光二极管(22)，以使它的输出波长是线性扫描，通过改变激光二极管(22)的驱动电流或它的温度都可以达到。调制振荡器(34)产生两个正弦调制W1和W2重叠在激光二极管驱动电流上，传感器的输出是在W1的二倍频处同步检测的。
当激光二极管的波长慢扫描通过吸收线时，可以观测到二次谐波信号。这样有效地选择其平滑的输出以取出光滑的细部，而不是从跨越吸收线激光波长扫描得出的结果，这个结果如图9示出的一个输出信号，这个信号的大小用箭头P表示，P正比于在一个频率急剧变化的吸收线处的气体浓度。
激光频率可以用调节它的温度或它的电流来控制，但是，用变化温度比用变化电流来控制频率可以复盖大得多的波长范围，这样，通过改变温度，在一次扫描中观测几个气体吸收信号是可能的。图10给出了图8的锁定放大器(33)的输出，用记录仪(37)作图並用计算机(38)记录，图7给出了在30℃扫描时锁定放大器的输出。在图示的例子中，光谱中可能出现许多谱线，这是由于CH4、H2O、HF、NH3、HBr和CO2的存在。这种光谱可以用计算机(38)处理，给出各种成分的浓度。二次调制W2具有消除吸收池可能产生的光干扰带的作用。
已进行的试验指出，CH4、HF和H2O的最小检测浓度分别是50ppm-m、100ppb-m和50ppm-m。图11给出了对应甲烷浓度的传感器输出曲线，从实验数据可以看出，浓度在几十倍范围内其输出都是线性的。由于测量的特点，在传感器输出中的漂移是微不足道的，传感器的精度由噪声限制，而不是由漂移限制。
在上述对于图8到图11的实验中应用的光导纤维，为2.5Km单模纤维和2.5Km的50/125μm光导纤维。由于大功率的应用。这个系统可能允许10分贝(dB)量级能量损失，当在吸收池的光学元件被玷污时，这种能量损失可能出现。通过光导纤维开关将辐射送到几个设在不同地点的吸收池，那也是可能的，这样，就可在大面积上形成传感器网络，以便对大量传感器利用同一光源和检测系统。
上述提出的方法的一个缺点是在吸收池中需要有长的光程，以便得到高灵敏度，这就要利用精确光准直的多程吸收池，並且易受污染，同时它也很笨重。
权利要求
1.用于检测在吸收池中预定气体的设备，它包括一个红外激光光源；一个光传输控制装置，控制从激光光源发出、经过光导纤维到联接一个吸收池的传感器的光传输，该吸收池吸收的激光波长随时间在至少两个波长间变化，这两个波长之一由所述气体吸收，另一个波长不易被所述气体吸收；一个检测吸收池中所述气体吸收所述波长激光信号的装置；以及一个把监控值的大小与吸收池中所述气体的检测值相比较的装置。
2.根据权利要求1的设备，其特征是激光光源是一个多模激光源，它的第一个模是在龅囊桓霾ǔぃ诙瞿Ｊ窃谒龅牧硪桓霾ǔ 一个可调谐滤光器插在激光光源和吸收池之间，光传输控制装置调谐这个滤光器使第一和第二模式激光交替通过吸收池。
3.根据权利要求1或2的设备，其特征是激光光源是一个激光二极管，它是温度调谐的，以使它的最强纵模与气体最大吸收频率一致。
4.根据权利要求1、2或3的设备，其特征是滤光器是一个自由光谱范围小于激光谐振腔的自由光谱范围的法布里-珀罗滤光器。
5.根据权利要求1的设备，其特征是激光光源是一个可调谐激光二极管，它的输出直接通过吸收池;还有一个调谐激光波长的装置，使之扫描跨越所述气体容易吸收的所述波长的频率。
6.根据权利要求5的设备，其特征是用叠加两个正弦调制的电流来驱动激光二极管，检测装置包括一个工作在两正弦调制频率之一的信频处的同步检测器，因此，产生的二次谐波信号的大小正于比所述气体的吸收。
7.根据权利要求5或6的设备，其特征是具有一个通过改变二极管的电流而改变激光二极管频率的装置。
8.根据权利要求5或6的设备，其特征是具有一个通过改变二极管的温度而改变激光二极管的频率的装置。
全文摘要
用于检测在吸收池中预定气体的设备，传导红外激光光源的输出到吸收池，控制传导输出随时间在至少两个波长之间改变，两个波长之一比另一个更容易被气体吸收，传导后的这个波长的大小相应于被检测的气体，激光器的输出可能包括两个频率，而一个滤光器可使这两个频率交替通过。另一方面，这个激光器的输出也可以是单频的，该频率扫描横过气体容易吸收的频率。
文档编号G01N21/03GK1033105SQ8810774
公开日1989年5月24日 申请日期1988年9月22日 优先权日1987年9月22日
发明者阿曼·莫希巴蒂, 特伦斯·A·金 申请人:曼彻斯特维多利亚大学