專利名稱：溫室氣體的激光檢測系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以半導(dǎo)體激光器為光源的溫室氣體光學(xué)檢測系統(tǒng)及方法，屬于 光譜分析技術(shù)領(lǐng)域。
背景獄
引起全球氣候變暖的溫室氣體主要是二氧化碳和甲烷。這兩種氣體占溫室氣體
總量的絕大部分，其中，二氧化碳在大氣中的含量約為370ppm，甲烷在大氣中的 含量大約為1.7ppm。目前，檢測二氧化碳和甲烷氣體濃度的常用方法主要有質(zhì)譜法、 氣相色譜法、光譜學(xué)方法等。由于光譜學(xué)方法具有檢測時間響應(yīng)決、靈敏度高的特 點(diǎn)，所以得到較為廣泛的應(yīng)用。以激光為光源的光譜學(xué)檢測方法，利用激光光源單 色性好的特點(diǎn)，采用單一吸收線，對氣體濃度進(jìn)行定量的測定。
以半導(dǎo)體激光器為光源，利用吸收光譜單獨(dú)檢測二氧化碳?xì)怏w濃度或單獨(dú)檢測 甲烷氣體濃度的方法已有很多，但目前的這些檢測方法存在一個共同的問題，那就 是因激光波長的可調(diào)諧范圍小，只能用一個激光源一套檢測系 應(yīng)檢測一種氣體 的濃度，如果要檢測另外一種氣體的濃度，就需要更換不同波長的激光源，這需要 準(zhǔn)備多個不同波長的激光源，增加檢測設(shè)備的更換、調(diào)整環(huán)節(jié)，使得檢測成本高， 檢測效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種激光檢測方法，用一個激光源一套檢測
系統(tǒng)實m^二氧化碳和甲烷這兩種主要溫室氣，度的檢測，達(dá)到降低檢測成本， 提高檢測效率的目的。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:一種溫室氣體的激光檢領(lǐng)係統(tǒng)，包括半導(dǎo)微光器(l)、 準(zhǔn)直透鏡(2)、光探測器(6)，其特征是還包括激光器驅(qū)動電源(3)、溫度控制器(4)、 函數(shù)發(fā)生器(5)和鎖相放大激7)，其中激光器驅(qū)動電源3)和函數(shù)發(fā)生器(5)連接，激光 器驅(qū)動電源(3)與半導(dǎo)體激光器(1)連接，溫度控制器(4)與半導(dǎo)體激光器(1)連接，實現(xiàn)對半導(dǎo)體激光器波長的調(diào)諧功能，同時函數(shù)發(fā)生器(5)與鎖相放大器(7漣接。
激光器驅(qū)動電源(3傭于控制、掃描半導(dǎo)體激光器(l)的泵浦電流，^it控制器(4)
用于調(diào)整控制半導(dǎo)體激光器(l)的溫度，函數(shù)發(fā)生器(5)用于向激光器驅(qū)動電源(3)提供
直流控制電壓信號和交流調(diào)制信號，函數(shù)發(fā)生器(5)的交流調(diào)制信號同時也送至鎖相
放大器(7)，作為信號解調(diào)用的參考信號。
一種運(yùn)用上述檢觀係統(tǒng)的檢測方法，按以下步職行 ①在半導(dǎo)體激光器的波長可變范圍內(nèi)選擇二氧化碳和甲垸二種溫室氣體的吸
收線對，使其滿足一個光源的波長可以掃過兩種氣體的至少各一條選定的吸收線，
所選定的吸收線要有足夠的吸收強(qiáng)度，可以分別滿足檢測至少370ppm 二氧化碳?xì)怏w
濃度、以及檢測至少1.7ppm甲烷氣體濃度的需要；
②選擇一個半導(dǎo)體激光器作為檢測光源，它的使用波長可調(diào)諧范圍要能夠覆蓋 步驟①所選定的二氧化碳?xì)怏w和甲烷氣體的吸收線對，作為檢測光源的半導(dǎo)體激光 器的波長調(diào)節(jié)方法，M過控制半導(dǎo)體激光器的溫度和調(diào)整掃描半導(dǎo)體激光器的泵 浦電流，將半導(dǎo)體激光器的波長調(diào)諧至步驟①所述的吸收線對中的任何一條吸收 線；
③ 檢測系統(tǒng)的檢測光源波長滿足步驟①和步驟②所述要求，并根據(jù)被檢氣體 濃度水平的需要選定吸收光程和信號檢測方式；
④ 控制半導(dǎo)體激光器的溫度、并掃描半導(dǎo)體激光器的泵浦電流，使激光波長 掃過所選定的二氧化碳或甲烷氣體吸收線對中的一條吸收線，記錄測定結(jié)果；然后 根據(jù)需要改變半導(dǎo)體激光器的溫度和泵浦電流的掃描范圍，使激光波長掃過所選定 的二氧化碳或甲烷氣體吸收線對中的另一條吸收線，并記錄測定結(jié)果，根據(jù)測定結(jié)
果和系統(tǒng)事先的標(biāo)定及校對，計算出二氧化碳和甲烷的氣，度。
按照上述的檢測方法，其特征在于二氧化碳和甲烷二種溫室氣體的吸收線對的 選擇方法如下
①在中心波數(shù)分別為6081.3687 cm"、 6082.8843 cm"、 6084.3890 cm國1、6085.8826 cm-1 、 6087.3647 cm-1 、 6088.8353 cm" 、 6090.2940 cm" 、 6091.7405 cm"的
8條二氧化碳吸收線中選擇其中一條；
② 在中心波數(shù)分別為6085.2521 cm-1、 6086.6229 cm-1、 6086.6350 cm-1、 6086.7454 cm"、 6086.7797 cm"、 6086.7994 cm"、 6086.8307 cm"的7條甲烷吸收線 中選擇其中一條；
③ 將選出的一條二氧化碳吸收線與選出的一條甲烷吸收線組成一對檢測用吸 收線對，共能組成56對不同的吸收線對。
本發(fā)明其原理基于比爾-朗伯定律，其內(nèi)容是當(dāng)一束平行的單色光通過含有均勻 的吸光物質(zhì)的吸收層時，光的一部分被吸收層內(nèi)物質(zhì)的分子吸收， 一部分透過吸收 層， 一部分被吸收層表面反射；設(shè)入射光強(qiáng)度為I。，吸收光強(qiáng)度為Ia，透過光強(qiáng)度 為It，反射光強(qiáng)度為L，則它們之間的關(guān)系應(yīng)為
/0=/fl(1) 當(dāng)吸收層為濃度劍氐的氣體時，t的影響很小可忽略不計，則上式可以簡化為
(2)
透射光強(qiáng)It與入射光強(qiáng)Io之比被定義為透光率，用符號T來表示；吸收光強(qiáng)Ia 與入射光強(qiáng)IQ之比被定義為吸光率，用符號A來表示，則有
T丄 (3) J。
j丄 (4)
考慮一束平行單色入射光通過一M有吸光物質(zhì)、具有單位面積的介質(zhì)，假設(shè) 其通過的厚度為L，光線通過的體積中含有吸光分子，光通過后， 一些光子被吸收， 光強(qiáng)從Io降到了I，當(dāng)光通過此體積中厚度為dx的一個體積元時，如果該體積元中 吸光分子濃度為C (分子/cm3)，貝U其中由于一部分光子被吸收所造成光強(qiáng)的減小 量是
—必=/flof>^ Crfx (5)
式(5)中^"為分子的有效吸收截面積(cmV分子)，表示分子對某一波長
6的單色光吸收的特性。對上式積分，等式左邊光強(qiáng)的積分上下限分別慰t和I(),等式 右邊吸收光程的積分上下限是光liL和O，則可得:
<formula>formula see original document page 7</formula> (6)
式(6)就是比爾-朗伯定律的基本表達(dá)式，它表達(dá)了單色光通過吸收介質(zhì)后， 透過光強(qiáng)I、氣體濃度C和吸收光禾ML三者之間的關(guān)系。在已知分子吸收特性和吸收 光程的前提下，測定入射光強(qiáng)和出射光強(qiáng)、就可以根據(jù)比爾-朗伯定律得出吸收氣 體的濃度。
基于上述原理，本發(fā)明設(shè)計了以半導(dǎo)體激光器為光源的溫室氣體光學(xué)檢測系 統(tǒng)，它包括半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直透鏡、激光器驅(qū)動電源、溫度控制器、函數(shù)發(fā)生 器、光探測器、鎖相放大器。由半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡后變?yōu)槠?行光束射向光探測器，激光光源與光探測器之間的光程為吸收光程，激光光束在通 過這段距離時因氣體的吸收而衰減，光強(qiáng)減弱，光探測器用于實現(xiàn)光電變換并測定 光強(qiáng)減弱量。溫度控制器用于調(diào)整控制半導(dǎo)體激光器的溫度。激光器驅(qū)動電源用于 控制、掃描半導(dǎo)體激光器的泵浦電流，從而實現(xiàn)半導(dǎo)體激光器波長的調(diào)諧功能。函 數(shù)發(fā)生器的作用是向激光器驅(qū)動電源提供直流控制電壓信號和交流調(diào)制信號，直流 控制電壓信號是控制激光驅(qū)動電源輸出電流的大小，用于掃描泵浦電流，交流調(diào)制 信號用于直接調(diào)制激光頻率。交流調(diào)制信號同時也送至鎖相放大器，作為信號解調(diào) 用的參考信號。鎖相放大器的作用是從光探測器的輸出信號中抽取調(diào)制信號的某一 個倍頻諧波，以便降低檢測噪聲，提高檢測結(jié)果的信噪比。
本發(fā)明的有益效果是改進(jìn)了大氣中二氧化碳和甲垸二種溫室氣體的檢測系統(tǒng) 和方法，以同一個半導(dǎo)體激光器為檢測光源，利用一套系統(tǒng)就可以同時檢測二氧化 碳和甲烷兩種氣體，會g夠有效地降低氣微測成本，提高檢測效率。


下面結(jié)合附圖，通過實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并 不限于以下的實施例。圖1為比爾-朗伯定律的示意圖2為溫室氣體激光檢測系統(tǒng)示意圖3為觀!l定半導(dǎo)體激光器特性的裝置示意圖4為半導(dǎo)體激光器波長特性的測定結(jié)果圖5為中心波數(shù)為6082.8843 cm4的二氧化碳?xì)怏w濃度校對測定結(jié)果圖； 圖6為中心波數(shù)為6086.7797 cm—1的甲烷氣體濃度^)(寸測定結(jié)果圖； 圖7為對大氣中二氧化碳?xì)怏w濃度的測定結(jié)果圖； 圖8為對大氣中甲烷氣體濃度的測定結(jié)果圖9為中心波數(shù)為6081.3687 cm—1的二氧化碳?xì)怏w濃度自測定結(jié)果圖10為中心波數(shù)為6086.8307 cm—1的甲烷氣體濃度艦測定結(jié)果圖11為中心波數(shù)為6091.7405 cm—1的二氧化碳?xì)? 農(nóng)度校對測定結(jié)果圖12為中心波數(shù)為6085.2521 cm'1的甲烷氣體濃度校對測定結(jié)果圖。
圖中l(wèi).半導(dǎo)術(shù)敫光器，2.準(zhǔn)直透鏡，3.激光器驅(qū)動電源，4.溫度控制器，5.函
數(shù)發(fā)生器，6.光探測器，7.鎖相放大器，8.波長計，9.波長計結(jié)果輸出端。
具體實施例方式
本發(fā)明所述溫室氣體激光檢測系統(tǒng)是利用被測氣體分子對某一波長的激光的 吸收作用，吸收使該波長的激光受到衰減，被測氣體濃度越高衰減就越大，通過測 定激光的衰減量就可以測定被測氣體的濃度。如圖2所示，選用InGaAsP材料的分 布反饋型(DFB)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器1作為檢測光源，采用直接頻率調(diào)制，調(diào)制 信號的2倍頻諧波檢測方式。半導(dǎo)體激光器1的溫度由溫度控制器4進(jìn)行控制，可 以保持為一定常值。半導(dǎo)體激光器l的泵浦電流由激光器驅(qū)動電源3供給并進(jìn)行控 制。函數(shù)發(fā)生器5向激光器驅(qū)動電源3提供直流控制電壓信號和交流調(diào)制信號，用 于控制驅(qū)動電源輸出電流的大小和對激光器實施直接頻率調(diào)制，同時函數(shù)發(fā)生器5 也向鎖相放大器7提供解調(diào)用參考信號。鎖相放大器7的作用是從光探測器6的輸 出信號中抽取調(diào)制信號的某一個倍頻諧波，以便降低檢觀幌聲，提高檢測結(jié)果的信 噪比。
當(dāng)檢測一種氣體時，本發(fā)明所述的溫室氣體激光檢測系統(tǒng)就需要選定一條被測氣體的吸收線用作測定。半導(dǎo)體激光器1所發(fā)出激光的波長要能夠與被測氣體的吸 收線相吻合，即激光光譜的中心波長應(yīng)能調(diào)諧至吸收線的中心，或者可以調(diào)諧掃過 吸收線的中心，以便在吸收線中心處獲得最大的吸收衰減。本發(fā)明方法要求半導(dǎo)體 激光器1的波長可變范圍能夠覆蓋至少一條選定的二氧化碳?xì)怏w吸收線和至少一條 選定的甲烷氣體吸收線。要做到這一點(diǎn)，首先需要測定光源的波長特性，充分了解 光源的波長可變范圍，觀啶其波長特性的裝置如圖3所示。在圖3中半導(dǎo)體激光器
l發(fā)出的激光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2聚光后，被整形為直徑較小的平行光束，該光束直接射 入波長計8，在波長計內(nèi)測定該光束的波長后，經(jīng)波長計結(jié)果輸出端9數(shù)字化輸出 測定結(jié)果。裝置中激光器驅(qū)動電源3和函數(shù)發(fā)生器5用于控制半導(dǎo)體激光器1的撥 泵浦電流，驗控制器4用于控制半導(dǎo)體激光器1的Mjt。
如圖3所示，波長的調(diào)整和掃描方法是調(diào)整M^控制器4，將半導(dǎo)體激光器 1的溫度值從20度開始，以5度的溫度間隔一直調(diào)整到45度。當(dāng)半導(dǎo)體激光器1 的溫度值穩(wěn)定在一個常值時，調(diào)整激光器驅(qū)動電源3，在20mA至70mA范圍內(nèi)控 制通過掃描半導(dǎo)體激光器l的泵浦電流達(dá)到掃描激光波長的目的。本發(fā)明中使用的 半導(dǎo)體激光器其波長特性觀啶結(jié)果如圖4所示，從圖4可以看出，通過改變Mit和 泵浦電流，半導(dǎo)體激光器1的波數(shù)可變范圍達(dá)14cm"以上，會詢多覆蓋本發(fā)明所選吸 收線的范圍。
本發(fā)明對溫室氣體進(jìn)行激光檢測的方法如下
步驟一在半導(dǎo)體激光器的波長可變范圍內(nèi)選擇二氧化碳和甲烷二種溫室氣體 的吸收線對，使其滿足一個光源的波長可以掃過兩種氣體的至少各一條選定的吸收 線。所選定的吸收線要有足夠的吸收強(qiáng)度，可以分別滿足檢觀侄少370ppm二氧化碳 氣體濃度、以及檢測至少1.7ppm甲烷氣i^農(nóng)度的需要。
步驟二選擇一個半導(dǎo)體激光器作為檢測光源，它的使用波長可調(diào)諧范圍要能 夠覆蓋步驟一所選定的二氧化碳?xì)怏w和甲烷氣體的吸收線對。作為檢測光源的半導(dǎo) 體激光器的波長調(diào)節(jié)方法，是通過控制半導(dǎo)體激光器的溫度和調(diào)整掃描半導(dǎo)體激光 器的泵浦電流，將半導(dǎo)體激光器的波長調(diào)諧至步驟一所述的吸收線對中的任何一條 吸收線。步驟三檢測系統(tǒng)的檢測光源波長滿足步驟一和步驟二所述要求，并根據(jù)被檢 氣體濃度水平的需要選定吸收光程和信號檢測方式。
步驟四控制半導(dǎo)體激光器的鵬、并掃描半導(dǎo)體激光器的泵浦電流，使激光 波長掃過所選定的二氧化碳或甲烷氣體吸收線對中的一條吸收線，記錄測定結(jié)果； 然后根據(jù)需要改變半導(dǎo)體激光器的溫度和泵浦電流的掃描范圍，使激光波長掃過所 選定的二氧化碳或甲烷氣體吸收線對中的另一條吸收線，并記錄測定結(jié)果。根據(jù)測 定結(jié)果和系統(tǒng)事先的標(biāo)定及校對，計算出二氧化碳和甲烷的氣體濃度。
在對溫室氣體進(jìn)行激光檢測的方法步驟中，二氧化碳和甲烷二種溫室氣體的吸 收線對的選擇是不可少的環(huán)節(jié)。本發(fā)明選定的8條二氧化碳吸收線中心波數(shù)分別是:
6081.3687 cm-1 6082.8843 cm" 6084.3890 cm—1 6085,8826 cm-1 6087.3647 cm-1 6088.8353 cm-1 6090.2940 cm'1 6091.7405 cm-1
本發(fā)明選定的7條甲烷吸收線中心波數(shù)分別是
6085.2521 cm-1 6086.6229 cm_1 6086.6350 cm-1 6086.7454 cm-1 6086.7797 cm'1 6086.7994 cm'1 6086.8307 cm'1
為達(dá)到在半導(dǎo)體激光器的波長可變范圍內(nèi)選擇的二氧化碳和甲烷二種溫室氣 體的吸收線對滿足一個光源的波長可以掃過兩種氣體的至少各一條選定的吸收線的要求，吸收線對的選擇方案如下
選取二氧化碳的吸收線6081.3687 cm—1,分別與甲烷的7條吸收線組合，組成7 個吸收線對(如下表l所示)，用以同時測定二氧化碳和甲烷氣體濃度。 . 表l
二氧化贏m-1
6085.2521
6086.6229
6086.6350
6081.36876086.7454
6086.7797
6086.7994
6086.8307
同理，選取二氧化碳的吸收線6082.8843 cm'1 ，分別與甲烷的7條吸收線組合， 又能組成另外的7個吸收線對，與此類推，共能組成56個不同的吸收線對。
實施例l:下面選取一條二氧化碳吸收線和一條甲垸吸收線，組成檢測用吸收 線沐以此為例進(jìn)行說明。選用中心波數(shù)為6082.8843 cm—1的二氧化碳吸收線和中 心波數(shù)為6086.7797 cm'1的甲垸吸收線組成吸收線對，對二氧化碳和甲烷兩種氣體 濃度進(jìn)行測量。具,作如下
①首先，對二氧化碳?xì)怏w濃度進(jìn)行校對測定。頓測定系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示， 半導(dǎo)體激光器的特性如圖4所示，為了避免環(huán)境空氣的影響，校對測定時要將測定 光路置于密閉容器內(nèi)，與環(huán)境空氣相隔絕，然后按以下步驟進(jìn)行
先將封閉光路的容器中二氧化碳?xì)怏w濃度設(shè)定為98ppm，通氣置換容器內(nèi)氣 體，氣體濃度達(dá)到這一濃度后開始測定。調(diào)整Mit控制器4，將半導(dǎo)體激光器1的 ^it控制在40度，接著調(diào)整激光器驅(qū)動電源3，以掃描電流間隔為0.2mA，從60mA 開始掃弓i泵浦電流至70mA，記錄下測定結(jié)果。
改變封閉光路的容器中二氧化碳?xì)怏w濃度，將其分別設(shè)定為195ppm， 252ppm 和435ppm，重復(fù)上述測定步驟，分別記錄下測定結(jié)果。這樣就測得98ppm、 195ppm、
ii252ppm、 435ppm時二氧化碳?xì)怏w的吸收光譜信號，如圖5中的左圖所示。圖5中 的左圖是測得的二氧化碳吸收光譜隨濃度變化的關(guān)系圖，橫軸是波數(shù)，縱軸是吸收 光譜的信號強(qiáng)度。圖5中的右圖是與左圖相對應(yīng)的濃度標(biāo)定線圖，橫軸是氣，度， 縱軸是吸收信號的強(qiáng)度。從圖5的右圖可以看出，二氧化碳?xì)?^農(nóng)度與吸收光譜的 信號強(qiáng)度之間有著良好的線性相關(guān)。
② 其次，對甲烷氣體濃度進(jìn)行TO測定。校對測定系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2、半導(dǎo)體 激光器的特性如圖4所示，為了避免環(huán)境空氣的影響，同樣將測定光路置于密閉容 器內(nèi)，與環(huán)境空氣相隔絕，然后按以下步M行
先將封閉光路的容器中甲烷氣，度設(shè)定為0.35ppm,通氣置換容器內(nèi)氣體， 氣體濃度達(dá)到這一濃度后開始測定。調(diào)整溫度控制器4，將半導(dǎo)體激光器1的溫度 控制在30度，接著調(diào)整激光器驅(qū)動電源3，以掃描電流間隔為0.2mA，從55mA開 始掃弓l泵浦電流至65mA，記錄下測定結(jié)果。
改變封閉光路的容器中甲烷氣體濃度，將其分別設(shè)定為0.75ppm， 1.28ppm和 2.06ppm，重復(fù)上述測定步驟，分別記錄下測定結(jié)果。這樣就測得0.35ppm、 0.75ppm、 1.28ppm、 2.06ppm時甲烷氣體的吸收光譜信號，如圖6中的左圖所示。圖6中的左 圖是測得的甲烷吸收光譜隨濃度變化的關(guān)系圖，橫軸是波數(shù)，縱軸是吸收光譜的信 號強(qiáng)度。圖6中的右圖是與左圖相對應(yīng)的濃度標(biāo)定線圖，橫軸是氣體濃度，縱軸是 吸收信號的強(qiáng)度。從圖6的右圖可以看出，甲烷氣，度與吸收光譜的信號強(qiáng)度之 間有著良好的統(tǒng)性相關(guān)。
③ 最后，對大氣中二氧化碳和甲烷氣體濃度進(jìn)行實測。劍門用上述①和②標(biāo)定 艦后的氣微觀係統(tǒng)，對大氣中的二氧化碳和甲烷氣體濃度進(jìn)行了實測。對大氣 中二氧化碳?xì)怏w濃度的實領(lǐng)纟結(jié)果如圖7所示，對大氣中甲烷氣術(shù)農(nóng)度的實測結(jié)果如 圖8所示。
實施例2:為進(jìn)一步說明本發(fā)明方法，本例選用中心波數(shù)最小的二氧化碳吸收 線60813687 cm"和中心波數(shù)最大的甲烷吸收線6086.8307 cm—1組成吸收線對，對二 氧化碳和甲烷兩種氣體濃度進(jìn)行了測量。具體操作與實施例一相同，在此結(jié)合附圖 進(jìn)行簡要說明①對二氧化碳?xì)怏w濃度進(jìn)行艦測定。如圖2、圖4和圖9所示，將封閉光路 的容器中二氧化碳?xì)怏w濃度分別設(shè)定為185ppm、 370ppm和505ppm，然后調(diào)整溫 度控制器4，將半導(dǎo)體激光器1的鵬控制在45度，接著調(diào)整激光器驅(qū)動電源3， 以掃描電流間隔為0.2mA，從55mA開始掃引泵浦電流直至65mA，得到二氧化碳 氣體濃度標(biāo)定線圖。
② 對甲烷氣體濃度進(jìn)行校對測定。如圖2、圖4和圖10所示，將封閉光路的容 器中甲烷氣體濃度的分別設(shè)定為0.65ppm、 1.32ppn^[12.25ppm，然后調(diào)整》^控制 器4，將半導(dǎo)體激光器1的溫度控制在33度，接著調(diào)整激光器驅(qū)動電源3，以掃描 電流間隔為0.2mA，從45mA開始掃引泵浦電流至55mA，得到甲烷氣術(shù)農(nóng)度標(biāo)定 線圖。
(D測定二氧化碳和甲烷氣體的吸收光譜后，根據(jù)吸收光譜信號強(qiáng)度與氣體濃度 的關(guān)系就可以定量測定大氣中二氧化碳和甲烷氣體的濃度。具體測定結(jié)果與實施例 —相同。
實施例3:本例選用中心波數(shù)最大的二氧化碳吸收線6091.7405 cm"和中心波 數(shù)最小的甲垸吸收線6085.2521 cm"組成吸收線對，對這兩種溫室氣體進(jìn)行測定。 具體操作與實施例一相同，在此結(jié)合附圖進(jìn)行簡要說明對二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行自 測定時，如圖2、圖4和圖11所示，將封閉光路的容器中二氧化碳?xì)怏w濃度分別設(shè) 定"為110ppm、 245ppm和408ppm，調(diào)整溫度控制器4，將半導(dǎo)體激光器1的溫度控 制在45度，調(diào)整激光器驅(qū)動電源3，以掃描電流間隔為0.2mA，從55mA開始掃引 泵浦電流至65mA，得到二氧化碳?xì)怏w濃度標(biāo)定線圖。對甲烷氣體進(jìn)行艦測定時， 如圖2、圖4和圖12所示，將封閉光路的容器中甲烷氣，度的設(shè)定分別為0.82ppm、 1.53ppm和2.81ppm，調(diào)整驢控制器4,將半導(dǎo)體激光器1的溫度控制在33度， 調(diào)整激光器驅(qū)動電源3，以掃描電流間隔為0.2mA，從45mA開始掃引泵浦電流至 55mA，得到甲烷氣體濃度標(biāo)定線。.測定二氧化碳和甲烷氣體的吸收光譜后，根據(jù) 吸收光譜信號強(qiáng)度與氣體濃度的關(guān)系就可以定量測定大氣中二氧化碳和甲烷氣體 的濃度。具體測定結(jié)果與實施例一相同。
1權(quán)利要求
1. 一種溫室氣體的激光檢測系統(tǒng)，包括半導(dǎo)體激光器(1)、準(zhǔn)直透鏡(2)、光探測器(6)，其特征是還包括激光器驅(qū)動電源(3)、溫度控制器(4)、函數(shù)發(fā)生器(5)和鎖相放大器(7)，其中激光器驅(qū)動電源(3)和函數(shù)發(fā)生器(5)連接，激光器驅(qū)動電源(3)與半導(dǎo)體激光器(1)連接，溫度控制器(4)與半導(dǎo)體激光器(1)連接，實現(xiàn)對半導(dǎo)體激光器波長的調(diào)諧功能，同時函數(shù)發(fā)生器(5)與鎖相放大器(7)連接。
2. 按照權(quán)利要求1所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于激光器驅(qū)動電源(3)用于控 制、掃描半導(dǎo)體激光器(l)的泵浦電流，溫度控制器(4)用于調(diào)整控制半導(dǎo)體激光器 (1)的溫度，函數(shù)發(fā)生器(5)用于向激光器驅(qū)動電源(3)提供直流控制電壓信號和交流 調(diào)制信號，函數(shù)發(fā)生器(5)的交流調(diào)制信號同時也送至鎖相放大器(7)，作為信號解 調(diào)用的參考信號。
3. —種運(yùn)用權(quán)利要求1所述的檢測系統(tǒng)的檢測方法，其特征在于按以下步 驟進(jìn)行①在半導(dǎo)體激光器的波長可變范圍內(nèi)選擇二氧化碳和甲烷二種溫室氣體的吸收線對，使其滿足一個光源的波長可以掃過兩種氣體的至少各一條選定的吸收線，所選定的吸收線要有足夠的吸收強(qiáng)度，可以分別滿足檢測至少370ppm二氧化碳?xì)怏w濃度、以及檢測至少1.7ppm甲垸氣體濃度的需要；②選擇一個半導(dǎo)體激光器作為檢測光源，它的使用波長可調(diào)諧范圍要能夠 覆蓋步驟①所選定的二氧化碳?xì)怏w和甲烷氣體的吸收線對，作為檢測光源的半 導(dǎo)體激光器的波長調(diào)節(jié)方法，是通過控制半導(dǎo)體激光器的溫度和調(diào)整掃描半導(dǎo) 體激光器的泵浦電流，將半導(dǎo)體激光器的波長調(diào)諧至步驟①所述的吸收線對中 的任何一條吸收線；③ 檢測系統(tǒng)的檢測光源波長滿足步驟①和步驟②所述要求，并根據(jù)被檢氣體濃度水平的需要選定吸收光程和信號檢測方式；④ 控制半導(dǎo)體激光器的溫度、并掃描半導(dǎo)體激光器的泵浦電流，使激光波長掃過所選定的二氧化碳或甲垸氣體吸收線對中的一條吸收線，記錄測定結(jié)果； 然后根據(jù)需要改變半導(dǎo)體激光器的溫度和泵浦電流的掃描范圍，使激光波長掃過 所選定的二氧化碳或甲烷氣體吸收線對中的另一條吸收線，并記錄測定結(jié)果，根 據(jù)測定結(jié)果和系統(tǒng)事先的標(biāo)定及校對，計算出二氧化碳和甲烷的氣體濃度。
4.按照權(quán)利要求3所述的檢測方法，其特征在于二氧化碳和甲垸二種溫室 氣體的吸收線對的選擇方法如下① 在中心波數(shù)分別為6081.3687 cm—1、 6082.8843 cm國1、 6084.3890 cm"、 6085.8826 cm-1 、 6087.3647 cm隱1、 6088.8353 cm-1 、 6090.2940 cm國1、 6091.7405 cm" 的8條二氧化碳吸收線中選擇其中一條；② 在中心波數(shù)分別為6085.2521 cm—\ 6086.6229 cm"、 6086.6350 cm—1、 6086.7454 cm"、 6086.7797 cm"、 6086.7994 cm"、 6086.8307 cm"的7條甲烷吸收 線中選擇其中一條；③ 將選出的一條二氧化碳吸收線與選出的一條甲垸吸收線組成一對檢測 用吸收線對，共能組成56對不同的吸收線對。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種溫室氣體的激光檢測系統(tǒng)及方法，它包括半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直透鏡、光探測器，激光器驅(qū)動電源、溫度控制器，函數(shù)發(fā)生器和鎖相放大器，其中激光器驅(qū)動電源和函數(shù)發(fā)生器連接，實現(xiàn)對半導(dǎo)體激光器波長的調(diào)諧功能。運(yùn)用該檢測系統(tǒng)的方法是通過控制半導(dǎo)體激光器的溫度和泵浦電流，將半導(dǎo)體激光器的波長調(diào)諧至任意一種溫室氣體的吸收線，分別記錄測定結(jié)果，再根據(jù)比爾-朗伯定律計算出二氧化碳和甲烷的氣體濃度。本發(fā)明改進(jìn)了大氣中二氧化碳和甲烷二種溫室氣體的檢測系統(tǒng)和方法，以同一個半導(dǎo)體激光器為檢測光源，利用一套系統(tǒng)就可以同時檢測二氧化碳和甲烷兩種氣體，能夠有效地降低氣體檢測成本，提高檢測效率。
文檔編號G01N21/31GK101482501SQ20081023356
公開日2009年7月15日 申請日期2008年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月14日
發(fā)明者吳尚謙 申請人:昆明理工大學(xué)