CN101008612B

CN101008612B - 一种半导体激光吸收光谱气体分析方法

Info

Publication number: CN101008612B
Application number: CN2007100671063A
Authority: CN
Inventors: 王健; 顾海涛; 刘立鹏
Original assignee: Focused Photonics Hangzhou Inc
Current assignee: Focused Photonics Hangzhou Inc
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2007-01-29
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2027-01-29
Also published as: CN101008612A

Abstract

本发明公开了一种半导体激光吸收光谱气体分析方法，所述方法包括以下步骤：a.确定半导体激光器的工作电流范围和工作温度范围；b.把所述半导体激光器的工作温度范围划分为至少二个工作温度区间，使任一工作温度区间对应被测气体的至少一条吸收谱线；c.测得所述半导体激光器的工作温度T_work，确定与所述工作温度T_work所在的由步骤b确定的工作温度区间对应的吸收谱线；d.根据半导体激光器的工作温度T_work和步骤c确定的吸收谱线的中心频率，确定并调整半导体激光器的工作电流；e.半导体激光器发出的光穿过被测气体并被传感器接收；对接收到的光信号进行吸收光谱分析，进而得到被测气体的被测参数并显示。

Description

一种半导体激光吸收光谱气体分析方法

技术领域

本发明涉及一种气体参数分析方法，更具体地说，涉及一种利用半导体激光测量气体吸收光谱分析气体参数的方法。

背景技术

半导体激光吸收光谱气体分析技术是一种广泛应用的气体分析技术。该技术通常使用单模半导体激光器，单模半导体激光器发射出的频率与被测气体某一吸收谱线中心频率相同的光束穿过被测气体时，被测气体的这一吸收谱线对测量光束能量的吸收导致测量光强度的衰减。半导体激光穿过被测气体的光强衰减可用Beer-Lambert关系准确表述：

I_v＝I_v，0T(v)＝I_v，0exp[-S(T)g(v-v₀)PXL]

I_v，0和I_v分别表示频率为v的激光入射时和经过压力P、浓度X和光程L的气体后的光强，S(T)表示气体吸收谱线的谱线强度，线形函数g(v-v₀)表征该吸收谱线的形状。由Beer-Lambert关系可知，光强度的衰减与被测气体含量、温度、压力等相关，因此，通过测量光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的相关参数。

例如，在已知被测气体的压力P、光程L和某一气体吸收谱线的谱线强度S(T)时，可通过测量出该气体吸收谱线的吸收光谱，然后利用上述Beer-Lambert关系来测量气体的浓度。再例如，利用上述Beer-Lambert关系测量出同一气体成分的两条被测气体吸收谱线的吸收光谱，从而测量获得该谱线对的线强之比。该谱线对在温度为T时的线强之比为：

R = \frac{S_{1} (T_{0})}{S_{2} (T_{0})} \exp [- (\frac{hc}{k}) (E_{1}^{''} - E_{2}^{'}) (\frac{1}{T} - \frac{1}{T_{0}})]

其中，S(T₀)为参考温度T₀下被测吸收谱线的线强，h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数，E″为吸收谱线跃迁对应的低能级能量，下标1、2分别对应谱线对中的两条谱线。由上式可见，线强比值R是温度T的函数。因此，通过测量比值R就可以测量气体温度T。该比值与谱线对的下能级差有关，因此，谱线对的选择会直接影响气体温度的测量，选择合理的谱线对于气体温度测量至关重要。

为了测量获得气体吸收谱线的吸收光谱信号，需要把半导体激光的频率调到被测气体吸收谱线的中心频率处(固定频率分析技术)或扫描过被测气体吸收谱线(频率扫描分析技术)。如图1所示，单模半导体激光器如DFB、DBR、VCSEL等的输出频率随温度增加而单调减小，随电流增加也单调减小。因此，改变半导体激光器输出光频率的方法有两种，一是通过改变半导体激光器的工作温度(通常指激光器座的温度，而不是结温)，另一种是通过改变半导体激光器的工作电流。通常，第一种方法的时间响应慢一些，但频率调整范围大一些，第二种方法的时间响应快一些，但频率调整范围小一些。通常，半导体激光吸收光谱气体分析技术通过设置合适的半导体激光器工作温度和工作电流使半导体激光器的光频率位于被测气体吸收谱线的中心频率处。如果采用频率扫描测量技术，则同时给半导体激光器注入一定频率的锯齿波或三角波电流使光频率扫描过整条吸收谱线来获得完整的高分辨率吸收光谱信号。上述吸收光谱气体分析技术一般使用TEC(半导体热电制冷器)来控制半导体激光器的工作温度，使激光器工作于某一特定温度。

尽管采用半导体热电制冷器能够较精确地控制半导体激光器的工作温度，但是该方案具有以下缺点：1)需要使用TEC和设计专门的控制和驱动电路，成本较高；2)TEC的工作电流和功耗较大，尤其是在制冷时功耗更大，在使用自备电源时工作时间较短，同时发出的较大热量增加了热设计的复杂性和难度，从而较难实现气体分析***的小型化和便携化；3)很多应用场合需要分析***具有防爆功能，大工作电流导致无法或较难实现本安防爆设计，另外，TEC和驱动电路导致较大的体积，这也会增加隔爆设计的复杂性。上述缺点限制了使用TEC的半导体激光吸收光谱气体分析***的应用领域。

发明内容

为了解决现有技术中的上述不足，本发明提供了一种不需要控制半导体激光器工作温度，从而省却了TEC的低成本、低功耗和易于实现防爆功能的半导体激光吸收光谱气体分析方法。

本发明的目的是通过下述技术方案得以实现的：

一种半导体激光吸收光谱气体分析方法，所述方法包括以下步骤：

a.确定半导体激光器的工作电流范围和工作温度范围；

b.把所述半导体激光器的工作温度范围划分为至少二个工作温度区间，使任一工作温度区间对应被测气体的至少一条吸收谱线；

c.测得所述半导体激光器的工作温度T_work，确定与所述工作温度T_work所在的由步骤b确定的工作温度区间对应的吸收谱线；

d.根据半导体激光器的工作温度T_work和步骤c确定的吸收谱线的中心频率，确定并调整半导体激光器的工作电流。

e.半导体激光器发出的光穿过被测气体并被传感器接收；对接收到的光信号进行吸收光谱分析，进而得到被测气体的被测参数并显示。

在气体分析过程中，周期性地重复所述步骤c、d和e。

所述步骤b为：确定半导体激光器的最大输出光频率范围，并在所述最大输出光频率范围内选择至少两条被测气体的吸收谱线；根据半导体激光器工作电流范围，确定与所述选择谱线分别对应的激光器最大工作温度区间；根据所述最大工作温度区间，把所述半导体激光器的工作温度范围划分为至少二个工作温度区间，使任一工作温度区间对应被测气体的至少一条吸收谱线，且任一被测气体的吸收谱线对应的工作温度区间被该吸收谱线对应的最大工作温度区间所覆盖。

所述步骤b中，所述划分的工作温度区间相互衔接且不重叠。

所述吸收光谱气体分析方法为固定频率吸收光谱分析方法或频率扫描吸收光谱分析方法。

当采用固定频率吸收光谱分析方法时，所述步骤d为：确定并调整半导体激光器的工作电流，使半导体激光器的发光频率与所述工作温度T_work所在的工作温度区间所对应的由步骤c确定的吸收谱线的中心频率相同。

当采用频率扫描吸收光谱分析方法时，所述步骤d为：确定并调整半导体激光器的工作电流，使半导体激光器的发光频率扫描过与所述工作温度T_work所在的工作温度区间所对应的由步骤c确定的吸收谱线。

当被测参数是浓度时，还对测得的被测气体的浓度进行补偿：

X_补＝K_内·K_外·X_测，K_内为同一工作温度区间内的气体浓度补偿系数，K_外为跨工作温度区间的气体浓度补偿系数，X_测为测得的气体浓度值。

所述同一工作温度区间的气体浓度补偿系数K_内由实验确定：测得所述半导体激光器在同一工作温度区间内的不同工作温度下的气体浓度值，以一参考工作温度下的浓度值为参考值，确定把该工作温度区间内其它温度对应的浓度值补偿到参考值的系数，得到在该工作温度区间内与温度相对应的补偿系数K_内。

所述跨工作温度区间的气体浓度补偿系数K_外由实验确定：测得所述半导体激光器在不同工作温度区间内的参考工作温度下的气体浓度值，以一工作温度区间内的参考工作温度下的浓度值为参考值，确定把其它工作温度区间内参考工作温度下测得的浓度值补偿到参考值的系数，得到与工作温度区间相对应的补偿系数K_外。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：1)无需使用TEC，进而也无需相应的专门设计的控制和驱动电路，降低了相应分析***的成本。2)应用此方法的分析***的工作电流和功耗都较小，因此，使用自备电源时工作时间较长，发出的热量较小，易实现热设计，进而实现了分析***的小型化和便携化，如开发手持式气体分析装置，从而拓展气体分析***的应用领域。3)无需使用TEC和设计专门的控制和驱动电路后，降低了分析***的体积，同时分析***的工作电流较小，易于实现本安防爆。

附图说明

图1是一半导体激光器的输出频率与温度、电流关系图；

图2是应用本发明方法的气体浓度分析***的结构示意图；

图3是本发明方法的流程示意图；

图4是半导体激光器温度区间划分示意图；

图5是补偿系数与工作温度关系图；

图6是应用本发明方法的气体流速测量***的结构示意图；

图7是多普勒频移示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

如图2所示，一种半导体激光氧浓度分析***，包括光发射单元、光接收单元7(本实施例采用传感器)和分析单元9。该分析***采用频率扫描分析技术。

所述光发射单元包括半导体激光器1、激光器座2、热敏电阻3、电流源4、驱动电路5和控制装置6。半导体激光器1安装在激光器座2上，热敏电阻3安装于激光器座2上接近半导体激光器1的位置，监测半导体激光器1的工作温度，热敏电阻3的信号送入控制装置6，经控制装置6处理后去控制半导体激光器1的工作电流。半导体激光器1的工作电流由电流源4提供，电流源4的驱动电路5由直流偏置电路51和交流信号发生电路52组成。直流偏置电路51产生一个直流信号，用于控制半导体激光器1的平均工作电流，调整半导体激光器1的输出中心频率；交流信号发生电路52产生一个三角波电流(峰峰值为0.3mA，频率为10Hz)，使半导体激光器1的输出频率扫过被测氧气的吸收谱线，同时该电路还在上述三角波电流上叠加一正弦波电流(峰峰值为0.08mA，频率为5kHz)，用于实现二阶调制吸收光谱。

一种半导体激光吸收光谱氧浓度分析方法，也即上述氧浓度分析***的工作过程，如图3所示，具体方法包括以下步骤：

a.确定半导体激光器1在分析***应用中的工作温度范围和工作电流范围；

针对该氧气浓度分析***的应用领域，半导体激光器1在使用过程中其工作温度范围为20℃到50℃之间。由于本发明技术方案不使用温度控制部件来控制半导体激光器1的工作温度，半导体激光器1的工作温度就是半导体激光器1工作环境的温度。半导体激光器1工作温度范围通常与氧气浓度分析***的工作环境温度范围不同，例如，把半导体激光器1安装在分析***中时，由于分析***中的电子部件会产生热量，导致半导体激光器1的工作温度会比分析***的工作环境温度高一些。

所述半导体激光器的工作电流范围为3mA到5.5mA。

b.确定半导体激光器1在所述工作温度范围内的最大输出光频率范围，并在所述最大输出光频率范围内选择至少两条被测气体合适的吸收谱线；根据半导体激光器1的最大工作电流范围，确定与所述选择的任一吸收谱线对应的半导体激光器1最大工作温度区间，确定所述最大工作温度区间的原则是当半导体激光器1的工作温度T_work位于所述最大工作温度区间内时可通过调节半导体激光器1的工作电流使半导体激光器1的输出光频率与所述吸收谱线对应；把所述半导体激光器1工作温度范围(20℃到50℃)划分为至少二个工作温度区间，使任一所述工作温度区间对应至少一条被测气体的吸收谱线，并且在划分所述工作温度区间时应满足所述工作温度区间被选择出的吸收谱线对应的最大工作温度区间覆盖这一条件；把所述划分的工作温度区间及其对应的吸收谱线的光谱数据存储在所述控制装置6内。

上述合适谱线指的是针对该氧气分析***的应用场合，对于需要的氧气浓度分析功能来说性能较好的谱线，例如没有背景气体干扰、谱线线强足够强等。上述吸收谱线也可以是靠近的若干谱线的集合，或重叠的若干谱线组成的谱线族。

所述半导体激光器1为一VECSEL型半导体激光器，工作电流范围为3mA到5.5mA；允许的工作温度范围为20℃到60℃，该范围覆盖针对该氧气分析***应用领域时半导体激光器1的工作温度范围：20℃到50℃。所述半导体激光器1的频率-电流和频率-温度特性都是非线性的，其输出光频率的电流和温度特性可以用下式描述：

v＝v₀-k₁I-k₂I²-k₃T-k₄T²…

近似为下式：v≈v₀-k_II-k_T·T

若在某一参考工作温度T_ref和参考工作电流I_ref下已知半导体激光器输出频率为v_ref，则半导体激光器的输出频率的电流和温度特性可描述为：

v≈v_ref-k_I·(I-I_ref)-k_T·(T-T_ref)

如图4所示，当参考工作温度T_ref为35℃和参考工作电流I_ref为4.58mA时，所述VECSEL半导体激光器1的输出频率v_ref为13100.83cm^-1；k_I＝4.49cm^-1/mA，k_T＝0.97cm^-1/℃。在半导体激光器1工作温度范围20℃到50℃和允许的工作电流范围内，半导体激光器1的最大输出频率范围在13082.15cm^-1到13122.47cm^-1之间。

在13082.15cm^-1到13122.47cm^-1频率范围内，氧气的所有合适谱线总共有11条，针对每一谱线，根据半导体激光器1的允许工作电流范围(3mA到5.5mA)，确定与该谱线对应的最大工作温度区间，见表一。

表一

谱线	中心频率(cm^-1)	相对线强	最大工作温度区间(℃)	工作温度区间(℃)	参考工作温度(℃)	参考工作电流(mA)
							1	13118.05	0.3818	13.0-24.6	20.0-22.5	20	3.99
2	13114.12	0.5018	17.0-28.6	22.5-27.5	25	4.25
							3	13112.02	0.7424	19.2-30.8	22.5-27.5	25	4.25
4	13107.63	0.8049	23.7-35.3	27.5-32.5	30	4.15
							5	13105.62	1.0220	25.8-37.4	--	--	--
6	13100.83	1.0000	30.7-42.3	32.5-37.5	35	4.58
							7	13098.85	1.1796	32.8-44.4	37.5-42.5	40	3.94
8	13093.66	1.0669	38.1-49.7	42.5-47.5	45	4.02
							9	13091.72	1.2134	40.1-51.7	--	--	--
10	13086.13	1.0207	45.9-57.5	47.5-50.0	50	4.61
							11	13084.21	1.1371	47.8-59.4	--	--	--

可以把半导体激光器1的工作温度范围(20℃到50℃)划分为11个与上述11条吸收谱线对应的11个工作温度区间。但是，由于与上述11条吸收谱线对应的最大工作温度区间之间有不少重叠之处，也可以选择把工作温度范围(20℃到50℃)划分为少于11个工作温度区间。下面以划分为7个工作温度区间为例进行描述。

将半导体激光器1的工作温度范围20℃到50℃划分为7个工作温度区间，相邻工作温度区间互相衔接且不重叠。从上述11条吸收谱线中选择其中8条，除了与22.5℃-27.5℃这一温度区间对应的吸收谱线有谱线2、谱线3两条外，其余每个工作温度区间均对应一条氧的吸收谱线，工作温度区间与谱线的对应关系见表一。每个工作温度区间均满足其被对应吸收谱线对应的最大工作温度区间覆盖这一条件；以吸收谱线1为例，其最大工作温度区间为13.0℃到24.6℃，覆盖对应的工作温度区间(20.0℃到22.5℃)。

与其他工作温度区间不同，22.5℃到27.5℃这一温度区间对应两条吸收谱线一谱线2和谱线3；当半导体激光器1的工作温度位于该工作温度区间内时，半导体激光器1的输出频率扫描过谱线2和谱线3来实现氧气浓度分析，扫描两条而不是一条谱线的好处是可以获得较高的信噪比；但是，这也要求该工作温度区间被谱线2和谱线3各自对应的最大工作温度区间覆盖。

c.测得所述半导体激光器1的工作温度T_work；确定与所述工作温度T_work所在的由步骤b确定的工作温度区间对应的吸收谱线。

根据热敏电阻3测得所述半导体激光器1的工作温度为41℃，由表一可知，与半导体激光器1工作温度41℃对应的工作温度区间为37.5℃到42.5℃，该工作温度区间与吸收谱线7对应。

d.根据半导体激光器1的工作温度T_work和步骤c确定的吸收谱线的中心频率，确定半导体激光器1的工作电流，使半导体激光器1的输出频率对应于所述工作温度T_work所在的工作温度区间所对应的由步骤b确定的吸收谱线。

根据步骤c中确定的工作温度区间[37.5℃，42.5℃]，表一给出了与该工作温度区间对应的参考工作温度T_ref和参考工作电流I_ref分别为40℃和3.94mA；在上述参考工作温度和电流情况下的半导体激光器的输出频率位于吸收谱线7的中心频率处。

当半导体激光器1工作温度T_work为41℃时，根据半导体激光器1的输出频率-温度和输出频率-电流特性，可以确定和调整半导体激光器1的直流工作电流为：

I_{work} = I_{ref} - \frac{k_{T}}{k_{I}} \cdot (T_{work} - T_{ref}) = 3.72 mA;

上述过程都是在控制装置6内完成。

e.半导体激光器1发出的光穿过被测气体并被传感器7接收；对接收到的光信号进行吸收光谱分析，进而得到被测气体的被测参数并显示。

所述半导体激光器发出的激光穿过被测氧气8后被传感器7接收；把接收到的光信号送分析单元9获得二阶调制吸收光谱并进行分析，进而得到被测氧气8的浓度。在控制半导体激光器1工作温度为常温情况下利用二阶调制吸收光谱分析气体浓度的技术为现有技术，在此不再详述。由于本技术方案不控制半导体激光器的工作温度，因此，该方案分析气体浓度的方法稍有不同，需要对常规方法分析得到的气体浓度进行一些补偿，下面描述浓度分析的补偿方法。

对于常规的控制半导体激光器温度为常温的二阶调制吸收光谱分析技术，其浓度测量公式为：

X_测＝K(S_2f/I₀)(B(P_ref，T_ref，S_ref)/B(P，T，S))，

其中S_2f是二次谐波信号峰峰值，I₀为光强信号的直流分量，参数B(P，T，S)用于修正二次谐波信号峰峰值随被测气体温度T、压力P和线强S的变化，可由基础光谱数据计算得到，也可根据实验测得，系数K是与仪器相关的标定系数，它由通入已知浓度的气体标定获得。测量获得二次谐波信号峰峰值强度，并且知道气体温度和压力，就可以依据该公式由所述分析单元9计算得到被测气体的浓度。

对于本发明提出的对半导体激光器工作温度分区间而非控制为常温的技术方案，还需对测得的被测气体浓度值进行补偿，具体公式为：

X_补＝K_i，内K_i，外K(S_2f/I₀)(B_i(P_ref，T_ref，S_ref)/B_i(P，T，S))＝K_i，内(T_work)K_i，外X_测，

其中下标i给出半导体激光器的工作温度落在第i个工作温度区间内，B_i(P，T，S)用于修正采用与第i个工作温度区间对应的吸收谱线时的二次谐波信号峰峰值与被测气体温度、压力和线强的变化关系，K_i，内是同一工作温度区间内的气体浓度补偿系数，用于补偿半导体激光器在第i个工作温度区间内任意工作温度时的测得浓度值与工作温度为该温度区间内的参考工作温度T_i，ref时的浓度值的相对变化；K_i，外是跨工作温度区间的气体浓度补偿系数，用于补偿采用与不同工作温度区间对应的不同吸收谱线导致的测得浓度值的相对变化。

如表二所示，在所述半导体激光器1的一个工作温度区间内改变半导体激光器工作温度，如38℃到42℃之间，以40℃为基准，记录不同温度下分析***的测得浓度，实验结果表明补偿前浓度误差小于±2％。如表三所示，在所述半导体激光器1的不同工作温度区间内，如20℃到50℃之间，以35℃为基准，也即不同谱线对应的浓度测量误差在补偿前小于±3％。浓度误差由半导体激光的工作状态如工作电流等的微小差异所致。为了得到更高的测量精度，需根据上述浓度补偿公式对所述测得浓度进行补偿。

所述同一工作温度区间内的补偿系数K_i，内由以下方法确定：实验测得半导体激光器1在某一工作温度区间内的参考温度如40℃和其他一些温度如38℃、39℃、41℃和42℃时的被测气体浓度X，在这些温度时的补偿系数K_i，内为在参考温度下测得浓度与这些温度下测得浓度的比值；对在这些离散温度下的补偿系数进行线性或者高阶拟合(如图5所示)，就可得到在这一温度区间内的补偿函数K_i，内(T_work)，把得到的所述补偿函数存储进所述分析单元9。当测得所述半导体激光器的工作温度T_work，就可以根据所述补偿函数K_i，内(T_work)得到与所述T_work对应的补偿系数。

实验结果表明，根据上述浓度补偿方法，采用三阶拟合，不同温度下的浓度误差小于0.1％。

所述跨工作温度区间的气体浓度补偿系数K_i，外可通过如下方法获得：实验测得在半导体激光器1不同工作温度区间内的参考工作温度如30℃、35℃、40℃、45℃和50℃时的被测气体浓度X，对应这些工作温度区间的气体浓度补偿系数K_i，外为40℃时测得浓度与在上述不同参考工作温度下测得浓度的比值，把得到的所述补偿系数存储进所述分析单元9。

表二：同一工作温度区间内的浓度测量补偿

电流(mA)	工作温度(℃)	测得浓度(％)	浓度误差(％)	补偿系数K_i，内
					3.51	42	20.49	-1.97667	1.0200
3.72	41	20.72	-0.8678	1.0087
					3.94	40	20.9	0	1
4.16	39	21.13	1.108861	0.9891
					4.37	38	21.21	1.494552	0.9812

表三：不同工作温度区间内的浓度测量补偿

参考工作温度(℃)	测得浓度(％)	误差(％)	补偿系数K_i，外
				50	21.09	0.39721	0.99604
45	20.39945	-2.8901	1.02976
				40	20.9	-0.50727	1.0051
35	21.00656	0	1
				30	21.11896	0.53507	0.99468
25	20.41768	-2.80331	1.02884
				20	20.39194	-2.92585	1.03014

根据步骤b中半导体激光器的工作温度为41℃，依据常规方法测得氧气的浓度值为：X_测＝19.83％。还需对测得的浓度值进行补偿：X_补＝K_i，内(T_work)K_i，外X_测，工作温度41℃处于工作温度区间[37.5℃，42.5℃]内，分析单元9调用该工作温度区间内的补偿函数，得到与工作温度41℃对应的同一温度区间的气体浓度补偿系数K_内＝1.0087，跨工作温度区间的气体浓度补偿系数K_外＝1.0051，故而得到补偿浓度值为X_补＝20.10％，得到的补偿浓度值显示在所述分析单元9的显示屏上。

在分析气体浓度过程中，不断地(周期性或非周期性)重复所述步骤c、d和e，使半导体激光器1的输出频率准确扫描过与半导体激光器1工作温度所在的工作温度区间对应的选择出来的氧气的吸收谱线。例如，经过一段工作时间后半导体激光器1工作温度变化为31℃，与该温度对应的工作温度区间为27.5℃到32.5℃，与该工作温度区间对应的吸收谱线为谱线4。

所述控制装置6还记录热敏电阻3测得的半导体激光器1的工作温度，以便用于补偿后续浓度计算结果。

实施例2：

一种半导体激光吸收光谱气体分析方法，应用在管道中氧气的流速测量。如图6所示，所述流速测量***与实施例1中氧浓度分析***不同的是：半导体激光器1发出的光通过透镜11射入被测管道10内，激光束与被测气体流向的夹角为α＝45°，激光束穿过透镜12后被传感器7接收。具体的流速分析方法包括以下步骤：

a.具体做法与实施例1中的步骤a相同；

b.具体做法与实施例1中的步骤b相同；

c.测得半导体激光器1的工作温度为35℃，位于32.5℃到37.5℃这一工作温度区间，与该工作温度区间对应的吸收谱线为谱线6，其中心频率为13100.83cm^-1；

d.确定半导体激光器1的工作电流为4.58mA，具体做法与实施例1中的步骤d相同；

e.半导体激光器1发出的光穿过被测氧气并被传感器7接收；对接收到的光信号进行吸收光谱分析，进而得到被测氧气的被测流速并显示。

当输出频率为v₀的激光束穿过流速为V的氧气，氧气分子吸收谱线中心频率产生多普勒频移(Doppler-shift)，多普勒频移量由下式描述：

Δ v_{Doppler} = \frac{V}{c} \cdot v_{0} \cdot \cos α

Δv_Doppler为多普勒频移量，α为激光束与介质流向的夹角，v₀是氧气吸收谱线的中心频率，c是光速。

测量出吸收谱线的多普勒频移量就可计算出氧气的流速V：

V = \frac{Δ v_{Doppler}}{v_{0}} \cdot \frac{c}{\cos α}

如图7所示，图中实线代表频移前的波形，虚线为频移后的波形；测得多普勒频移量为Δv_Doppler＝3.458×10^-3cm^-1，进而得到流速为112m/s。

需要指出的是，上述实施方式不应理解为对本发明保护范围的限制。比如说，上述实施例中使用二阶调制吸收光谱分析技术，当然还可以使用直接吸收光谱分析技术；上述实施例中测量的是气体的浓度、速度，当然也可以测量气体的温度、压力等参数。本发明的关键是，把半导体激光器的工作温度范围划分为至少两个工作温度区间，使任一工作温度区间对应被测气体的至少一条吸收谱线；通过测量半导体激光器的工作温度，进而确定和使用合适的工作电流使半导体激光器发出的光辐射与测得的工作温度所在的工作温度区间对应的吸收谱线对应；接收并分析穿过被测气体的激光，得到被测气体的参数；从而可以在无需控制半导体激光器工作温度的情况下实现气体分析。在不脱离本发明精神的情况下，对本发明作出的任何形式的改变均应落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种半导体激光吸收光谱气体分析方法，所述方法包括以下步骤：

a.根据半导体激光器的工作环境温度范围和额定工作温度范围，确定半导体激光器的工作温度范围；根据半导体激光器的额定工作电流范围去确定半导体激光器的工作电流范围；

b.根据半导体激光器的工作温度范围和工作电流范围，确定半导体激光器的最大输出光频率范围，并在所述最大输出光频率范围内选择至少两条被测气体的吸收谱线；根据半导体激光器工作电流范围，确定与所述选择谱线分别对应的激光器最大工作温度区间；根据所述最大工作温度区间，把所述半导体激光器的工作温度范围划分为至少二个工作温度区间，使任一工作温度区间对应被测气体的至少一条吸收谱线，且任一被测气体的吸收谱线对应的工作温度区间被该吸收谱线对应的最大工作温度区间所覆盖；

d.根据半导体激光器的工作温度T_work和步骤c确定的吸收谱线的中心频率，确定并调整半导体激光器的工作电流；

2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：在气体分析过程中，重复所述步骤c、d和e。

3.根据权利要求1或2所述的分析方法，其特征在于：所述步骤b中，所述划分的工作温度区间相互衔接且不重叠。

4.根据权利要求1或2所述的分析方法，其特征在于：所述吸收光谱气体分析方法为固定频率吸收光谱分析方法或频率扫描吸收光谱分析方法。

5.根据权利要求4所述的分析方法，其特征在于：当采用固定频率吸收光谱分析方法时，所述步骤d为：确定并调整半导体激光器的工作电流，使半导体激光器的发光频率与所述工作温度T_work所在的工作温度区间所对应的由步骤c确定的吸收谱线的中心频率相同。

6.根据权利要求4所述的分析方法，其特征在于：当采用频率扫描吸收光谱分析方法时，所述步骤d为：确定并调整半导体激光器的工作电流，使半导体激光器的发光频率扫描过与所述工作温度T_work所在的工作温度区间所对应的由步骤c确定的吸收谱线。

7.根据权利要求1或2所述的分析方法，其特征在于：当被测参数是浓度时，还对测得的被测气体的浓度进行补偿：X_补＝K_内·K_外·X_测，K_内为同一工作温度区间内的气体浓度补偿系数，K_外为跨工作温度区间的气体浓度补偿系数，X_测为测得的气体浓度值。

8.根据权利要求7的分析方法，其特征在于：所述同一工作温度区间的气体浓度补偿系数K_内由实验确定：测得所述半导体激光器在同一工作温度区间内的不同工作温度下的气体浓度值，以一参考工作温度下的浓度值为参考值，确定把该工作温度区间内其它温度对应的浓度值补偿到参考值的系数，得到在该工作温度区间内与温度相对应的补偿系数K_内。

9.根据权利要求7所述的分析方法，其特征在于：所述跨工作温度区间的气体浓度补偿系数K_外由实验确定：测得所述半导体激光器在不同工作温度区间内的参考工作温度下的气体浓度值，以一工作温度区间内的参考工作温度下的浓度值为参考值，确定把其它工作温度区间内参考工作温度下测得的浓度值补偿到参考值的系数，得到与工作温度区间相对应的补偿系数K_外。