一种无温控气体浓度传感器

1.本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种无温控气体浓度传感器。


背景技术：

2.近年来在气体检测领域中，激光传感技术已成为一大热点，对比传统的非激光传感技术，激光检测方法具有灵敏度高、检测精度高、使用稳定性好、不易受到外界干扰、环境适应性好等优点。
3.可调谐二极管激光吸收光谱法(tdlas)是激光传感技术中应用最为普遍的方法之一，其原理较为简单。该方法的成本主要集中在可调谐激光器上，目前此项技术对激光器的波长特性要求较高，这导致目前市面上的tdlas传感器普遍成本较高，阻碍了此项技术的更大规模推广。
4.半导体激光器是一种温度敏感器件，温度变化时，其激射波长通常会以0.1℃/nm漂移，而气体吸收的展宽一般不超过0.5nm，dfb半导体激光器的电流调谐范围一般为2nm，因此在不控制温度的情况下，在不同环境温度下，半导体激光器的工作波长极易漂移，从而偏离气体吸收峰。
5.目前的气体检测方法通常使用单颗独立激光器配备温控系统，以实现对光源波长的准确控制，使其与气体吸收峰匹配。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种无温控气体浓度传感器，采用单片集成的阵列激光器，再结合相关算法进行控制，并不使用温度控制器，可降低对激光器的制作工艺、封装工艺和温度控制器的相关成本，实现无温控的tdlas传感系统，大幅度降低tdlas方法的成本、扩大应用范围。
7.为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
8.一种无温控气体浓度传感器，包括热敏电阻、阵列激光器、激光器供电模块、激光器通道切换模块、气室、光电采集模块；
9.所述热敏电阻封装于阵列激光器中；
10.所述阵列激光器与激光器供电模快和激光器通道切换模块相连接，且阵列激光器的激光器光纤出光口和准直器相连接，准直器处于气室的一端，气室的另一端连接光电采集模块；
11.所述中心控制模块和激光器电流驱动模块、激光器通道切换模块、光电采集模块，以及封装在阵列激光器内部的热敏电阻相连接。
12.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
13.上述的热敏电阻经由电压放大电路与中心控制模块连接。
14.上述的阵列激光器集成soa，并设置多通道串并联激光器。
15.上述的激光器供电模块可控时间间隔地产生激光器供电信号，该信号为锯齿波。
16.上述的激光器通道切换模块包括开关芯片，用于接收中心控制模块指令，切换激光器的不同通道，其与激光器电极相连接。
17.上述的光电采集模块中，通过光电探测器接收吸收光强数据，然后将吸收光强数据转换为电流信号，再转换为电压信号，经过放大、滤波后传输给中心控制模块。
18.无温控气体浓度检测方法，所述方法包括：
19.步骤1、对传感器进行系统标定；
20.步骤2、热敏电阻阻值传递给中心控制模块；
21.步骤3、中心控制器根据温敏电阻阻值控制激光器供电模块和激光器通道切换模块，将供电电流切换至对应的激光通道进行激光输出和波长的扫描；
22.步骤4、激光器出射光经过准直器到达气室后，穿过气室内的待测气体，达到光电采集模块，将光信号转换为表示光强信息的电信号后传输至中心控制模块；
23.步骤5、中心控制模块根据热敏电阻阻值和光强信息确定气体对光波的吸收情况，根据气体对光波的吸收情况实现对待测气体浓度的解调。
24.上述的步骤1所述标定过程包括：
25.1)通过提前测得的激光器在不同温度下每个通道对应的波长，使不同温度下，气体吸收峰均处在所激射的激光器通道扫描范围的中间位置，将相应的通道与热敏电阻阻值建立对照表，该对照表写入中心控制模块中，中心控制模块运用查找表法，可实现根据不同的热敏电阻的阻值进行激光器的不同通道的切换控制；
26.2)记录不同激光器通道工作在锯齿波下的光功率—时间曲线，进行吸收峰深度与浓度对应关系的标定。
27.上述的步骤5对待测气体浓度的解调过程为：
28.中心控制模块接收到光电采集模块的光强信息后，通过与热敏电阻阻值相对比，得到此时所开启激光器通道，代入激光器不同通道光强的修正系数，结合同步激光器的供电电流和电信号的采集时间，将电信号的采集时间与激光器的光功率变化进行对应，进行求导确定吸收峰位置，利用曲线拟合反演出未经待测气体吸收时的原始光强，经过多次采样取平均、滤波，确定吸收率，确定此时的吸收强度，再根据查找表法，反演出此时的待测气体的浓度。
29.本发明具有以下有益效果：
30.本发明气体浓度传感器无需使用温度控制器，可以工作在不同环境温度(例如家用情况中-20℃～40℃)下，通过电流驱动激光器的不同通道，实现在不同环境温度下，对待测气体吸收峰所处波长的连续覆盖，均能正常解调出气体浓度，满足日常家用气体检测仪的使用需求，可降低成本、进一步扩大激光气体检测仪的应用市场，解决传统的激光气体检测仪器摆脱对温控芯片、tec材料和气密性封装的依赖问题。
31.本发明利用封装在激光器管壳内部的热敏电阻对激光器芯片当前的工作温度进行监测，根据热敏电阻阻值控制对应的激光器通道激射，并利用驱动电流的变化对其波长进行连续调谐，最后根据气体对光波的吸收情况实现对气体浓度的解调。本发明中不包括常见气体浓度检测系统必须的温控设备，在不增加激光器芯片成本的前提下，激光器封装成本、体积都得到了优化，同时系统中不引入其他复杂器件，在保证气体浓度检测可靠性的基础上，大幅降低了传感器的成本。
附图说明
32.图1是本发明传感系统框图；
33.图2是本发明的4
×
2串并联激光器阵列的示意图；
34.图3是本发明正常工作状态下未检测到待测气体时的激光器相对光功率-时间示意图；
35.图4是本发明在正常工作状态下检测到待测气体时的激光器相对光功率-时间示意图。
具体实施方式
36.以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
37.选取待测气体为甲烷的情况进行实施例说明：
38.已知甲烷在1653.7nm附近有较大吸收峰，且与常见干扰气体在此波段附近无吸收峰混叠干扰现象。
39.参见图1，本发明一种无温控气体浓度传感器，包括热敏电阻、阵列激光器、激光器供电模块、激光器通道切换模块、气室、光电采集模块；
40.所述热敏电阻封装于阵列激光器中；
41.所述阵列激光器与激光器供电模快和激光器通道切换模块相连接，且阵列激光器的激光器光纤出光口和准直器相连接，准直器处于气室的一端，气室的另一端连接光电采集模块；
42.所述中心控制模块和激光器电流驱动模块、激光器通道切换模块、光电采集模块，以及封装在阵列激光器内部的热敏电阻相连接。
43.优选地，所述热敏电阻经由电压放大电路与中心控制模块连接。
44.所述阵列激光器集成soa，并设置多通道串并联激光器。
45.如图2所示，所述阵列激光器为为4
×
2串并联激光器，内含八个激光器电极，合波与soa放大共用一个电极，用于提供系统的光源。使用锯齿波进行电流调谐后，可实现对一定范围的波长进行连续覆盖。
46.进一步地，阵列激光器采用rec技术，可以低成本的同时，精准地将多通道激光器集成在单颗芯片上，光源集成了多个中心波长不同的dfb激光器，并在末端设计一个soa放大器兼具合波作用，使得在一个蝶形封装内的激光器可以同时出射多个波长的光；实际使用中，通过开关芯片实现通道的快速切换。
47.激光器供电模块可控时间间隔地产生激光器供电信号，信号为锯齿波；
48.中心控制器根据温敏电阻阻值控制激光器供电模块和激光器通道切换模块，将供电电流切换至对应的激光通道进行激光输出和波长的扫描；
49.其中，所述激光器供电模块用于提供驱动电流，以实现对激光器的调谐，其与激光器和激光器通道切换模块相连接；
50.所述激光器通道切换模块包括受单片机控制的开关芯片，用于接收指令，切换激光器的不同通道，其与激光器电极相连接；
51.具体的，中心控制模块依据查找表方法，控制激光器通道切换模块中的开关芯片，切换合适的通道，给在此工作温度下能覆盖气体吸收峰的激光器通道供电。
52.激光器通道切换模块将供电电流切换至对应的激光通道进行激光输出，激光器供电模块通过供电电流的变化对激光波长进行连续调谐。
53.所述气室用于提供激光通过气体的光程，激光器出射光经过准直器到达气室内后，穿过待测气体，达到光电二极管；
54.所述采集处理模块包括一个光电探测器(光电二极管)，iv转换放大电路以及模数转换电路，光电二极管将光信号转换为电流信号，iv转换放大电路将电流信号转换为电压信号，最后由模数转换电路采集传输给单片机进行处理，对光强信息进行一定的初步优化，再传送至中心控制模块进行解调。具体的：通过光电探测器(光电二极管)接收吸收光强数据，然后将吸收光强数据转换为电流信号，再转换为电压信号，经过放大、滤波后传输给中心控制模块。
55.所述中心控制模块和激光器驱动模块、激光器通道切换模块、热敏电阻、采集处理模块相连接，用于控制上述模块正常工作，提供控制指令；中心控制模块接收到采集处理模块的光强信号后，通过与热敏电阻值相对比，得到此时所开启激光器未发生气体光强吸收时的相关参数，与实际光强相对比，进行求导确定吸收峰位置，利用曲线拟合反演出未经待测气体吸收时的原始光强，经过多次采样取平均、滤波等方法，确定吸收率，反演出此时的待测气体浓度。
56.基于上述无温控气体浓度传感器实现的无温控气体浓度检测方法，所述方法包括：
57.步骤1、对传感器进行系统标定；
58.在系统工作前，需要先进行一些标定工作。具体过程如下：
59.通过提前测得的激光器在不同温度下每个通道对应的波长，要使不同温度下，气体吸收峰均处在我们所激射的激光器通道扫描范围的中间位置。否则若吸收峰处于边缘位置则不利于进行解调。可以建立一张对照表，如表1所示，热敏电阻阻值和此时能覆盖气体吸收峰的激光器通道可呈现出一一对应的关系。将此表写入激光器控制模块中，运用查找表法，可让系统根据监测到的不同的热敏电阻的阻值、灵活地切换激光器的不同通道。
60.表1在不同环境温度下应驱动工作的激光器通道对照表
61.温度/℃-20～-12-12～
‑‑
4-4～44～1111～1818～2525～3232～40通道ld1ld2ld3ld4ld5ld6ld7ld8
62.相应的，不同激光器通道的未经气体吸收时的光强信息也会有所差异，这直接影响到了我们的解调准确度。我们需要预先进行标定，记录下不同激光器通道工作在锯齿波下的p-t(光功率—时间)曲线，采用气体浓度的标准具进行吸收峰深度与浓度对应关系的标定。
63.步骤2、热敏电阻阻值始终经由电压放大电路传递给中心控制模块；
64.本发明在激光器封装时封装入一个热敏电阻。根据激光器工作的热效应，在供电电流稳定不变的状态下，激光器将能达到一个稳定的工作温度，此工作温度和环境温度正相关，通常工作温度比环境温度高3～7℃。同时，半导体激光器的输出波长和工作温度相关，即激光器的输出波长和所封装热敏电阻呈现成正相关状态，温度越高，波长越长。故具体实施时，表现为不同温度情况下，以固定电流范围调谐的激光器发生气体吸收的位置不断地向时域的左侧移动，当移动到此通道的检测边缘时，有必要切换波长更小的通道，使吸
收峰的位置处于合适的位置以便于解调。具体表现为，针对甲烷的气体检测系统中，可以设置八通道串并联激光器，每个通道间隔为0.6nm，按照0.1℃/nm的温度漂移系数，本激光器可实现在48℃的工作温度变化范围内保证对1653.7nm中心波长的覆盖，由于工作温度变化范围小于环境温度变化范围，本发明所能适应工作温度为-20℃～40℃。
65.步骤3、中心控制器根据温敏电阻阻值控制激光器供电模块和激光器通道切换模块，将供电电流切换至对应的激光通道进行激光输出和波长的扫描；
66.本发明系统工作状态下，激光器供电模块对激光器进行供电。由中心控制模块单片机发出对应的电压信号和波形，激光器供电模块接收电压信号后产生相对应的电流信号。其中，对soa通道需要一直进行稳定的直流供电；激光器供电模块提供30～130ma的锯齿波电流，负责给激光器的通道进行供电；供电信号周期信号为10ms，激光器正常工作光功率信号如图3所示，经过测试气体吸收后的光功率信号如图4所示。
67.同时，热敏电阻阻值始终经由电压放大电路传递给中心控制模块，中心控制模块依据查找表方法，控制激光器通道切换模块中的开关芯片，切换合适的通道，给在此工作温度下能覆盖气体吸收峰的激光器通道供电。
68.步骤4、激光器出射光经过准直器到达气室后，穿过气室内的待测气体，达到光电采集模块的光电探测器，光电探测器将光信号转换为表示光强信息的电信号后传输至中心控制模块；
69.激光器出射的激光经过一个准直器，减小其发散角，以平行光穿过气室内的待测气体后，将对特定气体将在其吸收峰处发生具有一定展宽的吸收，吸收峰的中心只发生在特定波长处，吸收强度和浓度具有正相关性。经过采集处理模块中的光电二极管进行接收，将光信号转换为电流信号，再转换为电压信号，经过放大、滤波后传输给中心控制模块。
70.步骤5、中心控制模块根据热敏电阻阻值和光强信息确定气体对光波的吸收情况，根据气体对光波的吸收情况实现对待测气体浓度的解调。在激光器的出射光经过气室穿过一定的待测气体时，光波波长在气体吸收峰及其附近时会发生衰减，由于激光器未作温控，所以吸收峰在时域上的位置不固定。通过求导，可以还原出吸收峰的具体位置，再利用未吸收部分进行曲线拟合，还原未经吸收的光强曲线，再与采集到的极值点进行对比计算，从而推算出当前气体吸收强度，进一步得到当前气体浓度。另外，可通过同步激光器的供电电流和电信号的采集时间，将电信号的采集时间与激光器的光功率变化进行对应。
71.待测气体浓度的解调过程为：
72.中心控制模块接收到光电采集模块的光强信息后，通过与热敏电阻阻值相对比，得到此时所开启激光器通道，代入激光器不同通道光强的修正系数，结合同步激光器的供电电流和电信号的采集时间，将电信号的采集时间与激光器的光功率变化进行对应，进行求导确定吸收峰位置，利用曲线拟合反演出未经待测气体吸收时的原始光强，经过多次采样取平均、滤波，确定吸收率，确定此时的吸收强度，再根据查找表法，反演出此时的待测气体的浓度。
73.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。