CN102105779B - 激光光谱检测气体的方法和气体传感器 - Google Patents
激光光谱检测气体的方法和气体传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102105779B CN102105779B CN2009801267479A CN200980126747A CN102105779B CN 102105779 B CN102105779 B CN 102105779B CN 2009801267479 A CN2009801267479 A CN 2009801267479A CN 200980126747 A CN200980126747 A CN 200980126747A CN 102105779 B CN102105779 B CN 102105779B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gas
- object gas
- laser
- spectrum
- absorption
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims description 13
- 238000001307 laser spectroscopy Methods 0.000 title abstract description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 title description 75
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 37
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 29
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 7
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 claims description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 3
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 2
- 238000012417 linear regression Methods 0.000 claims description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical group [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 27
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 27
- 230000009102 absorption Effects 0.000 description 25
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 16
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 13
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 5
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N Nitric oxide Chemical compound O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 2
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 102000010445 Lactoferrin Human genes 0.000 description 1
- 108010063045 Lactoferrin Proteins 0.000 description 1
- 238000004847 absorption spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000003373 anti-fouling effect Effects 0.000 description 1
- 239000002473 artificial blood Substances 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- CSSYQJWUGATIHM-IKGCZBKSSA-N l-phenylalanyl-l-lysyl-l-cysteinyl-l-arginyl-l-arginyl-l-tryptophyl-l-glutaminyl-l-tryptophyl-l-arginyl-l-methionyl-l-lysyl-l-lysyl-l-leucylglycyl-l-alanyl-l-prolyl-l-seryl-l-isoleucyl-l-threonyl-l-cysteinyl-l-valyl-l-arginyl-l-arginyl-l-alanyl-l-phenylal Chemical compound C([C@H](N)C(=O)N[C@@H](CCCCN)C(=O)N[C@@H](CS)C(=O)N[C@@H](CCCNC(N)=N)C(=O)N[C@@H](CCCNC(N)=N)C(=O)N[C@@H](CC=1C2=CC=CC=C2NC=1)C(=O)N[C@@H](CCC(N)=O)C(=O)N[C@@H](CC=1C2=CC=CC=C2NC=1)C(=O)N[C@@H](CCCNC(N)=N)C(=O)N[C@@H](CCSC)C(=O)N[C@@H](CCCCN)C(=O)N[C@@H](CCCCN)C(=O)N[C@@H](CC(C)C)C(=O)NCC(=O)N[C@@H](C)C(=O)N1CCC[C@H]1C(=O)N[C@@H](CO)C(=O)N[C@@H]([C@@H](C)CC)C(=O)N[C@@H]([C@@H](C)O)C(=O)N[C@@H](CS)C(=O)N[C@@H](C(C)C)C(=O)N[C@@H](CCCNC(N)=N)C(=O)N[C@@H](CCCNC(N)=N)C(=O)N[C@@H](C)C(=O)N[C@@H](CC=1C=CC=CC=1)C(O)=O)C1=CC=CC=C1 CSSYQJWUGATIHM-IKGCZBKSSA-N 0.000 description 1
- 238000002372 labelling Methods 0.000 description 1
- 229940078795 lactoferrin Drugs 0.000 description 1
- 235000021242 lactoferrin Nutrition 0.000 description 1
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000003909 pattern recognition Methods 0.000 description 1
- 238000005375 photometry Methods 0.000 description 1
- 239000000779 smoke Substances 0.000 description 1
- 238000012353 t test Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
- G01N21/274—Calibration, base line adjustment, drift correction
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
- G01N2021/396—Type of laser source
- G01N2021/399—Diode laser
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
- G01N2201/12—Circuits of general importance; Signal processing
- G01N2201/127—Calibration; base line adjustment; drift compensation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Pathology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明涉及一种借助激光光谱用一激光器或一激光二极管检测至少一种目标气体的方法和传感器，所述激光器或激光二极管的发射波长为单色且可通过工作温度或工作电流的改变来加以调谐，其中，所述至少一种目标气体的一波段的波长范围包含在一较宽的第一调谐宽度(14)上对所述激光器或所述激光二极管进行的一第一调谐，其中，包含有一参考气体的至少两条吸收谱线(7)和所述至少一种目标气体的至少一条吸收谱线(8)。上述吸收谱线用于对所述激光器或所述激光二极管的波长标度进行相对于所述已变化工作温度或所述已变化工作电流的校准，其中，包括在一较窄的第二调谐宽度(15)上对所述激光器或所述激光二极管进行一第二调谐，其中，包含有所述至少一种目标气体的所述至少一条吸收谱线(8)，用于检测所述至少一种目标气体。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用激光光谱法检测气体的方法。尤其是使用单色光光源(特别是激光器或激光二极管)、吸收路径或测量室、光电检测器以及用于控制测量过程和进行分析的电子装置。光源或激光二极管的光谱可调谐性有助于实现对吸收光谱的记录。须将(例如)激光二极管实施为单色，以便对气体分子的振动跃迁/旋转跃迁进行分辨测量而无需按原理予以加宽。通常是在包含至少一种样气或目标气体的吸收测量路径上进行测量。
背景技术
待测的目标气体例如是一氧化碳(CO)。燃烧装置或发动机内的不充分燃烧或者着火时均会产生一氧化碳。在住宅内无意中错误引导燃烧气体可能导致严重危险甚至致人死亡。而对存在毒害二氧化碳或一氧化碳集中危险的房间进行监测就可以排除中毒危险。
举例而言，为烟雾报警器加装一氧化碳检测器可大幅提高火灾检测的可靠性。在这些需要保证检测绝对可靠性的应用领域，人的生命可能就依赖于相应传感器的正常运行。
借助可调谐激光二极管而实现的吸收光谱法已被现有的一氧化碳检测法所采用。这种方法的缩写是TDLS，即Tuneable Diode Laser Spectroscopy(可调谐二极管激光光谱)，利用的是可调谐激光二极管或激光器。
这类方法具有下列特征。可以实施绝对测量且相应的传感器具有抗污性能。在气体吸收谱线上进行的光谱测量总是将背景包含在内，其中，吸收谱线的最小透射与背景透射之间的比与气体浓度成比例。(例如)由窗户受污所引起的透射的绝对变化对浓度测量不产生影响。通常情况下，在传感器噪声显著增大之前，光衰减可以提升多个数量级。
不会产生任何与所用仪器有关的仪器常数。由于激光发射的谱宽较窄，可将测得光谱直接与理论光谱进行比较而无需利用其他仪器功能，这些理论光谱仅建立在分子常数和诸如压力、温度和光波长等物理变量的基础上。
通过以上技术可进行持久稳定测量。基于基础物理学的测量原理并结合该测量方法的上述特性，可以对气体进行长时间的稳定测量。
这是一种固有的自身监测。以一种参考气体进行持续吸收可对传感器的正确运行情况实施持续监测。可以迅速发现如参考气体泄漏、光路中断以及激光器、激光二极管或电气组件的损坏等故障。
由于一种气体的数条单独的吸收谱线均具有一窄的带宽，故最大可能的选择性是显而易见的，这就使得每种气体通常都具有光谱意义上的无法混淆的指纹。因此，通过对各谱线进行精确检测的分辨测量，可实现选择性极大的浓度测定。
采用可调谐激光二极管的激光光谱法一般可以实现无延迟测量，这一点特别有利于以调节为目的的排气检测。
此外还有一系列用于检验一氧化碳的传统检测技术，例如金属氧化物传感器、电化学电池、利用人造血红蛋白变色或者红外光度测量。举例而言，电化学电池对监测室内空气起着重要作用。但是，电化学电池的缺点在于无法对其自身正常运行情况进行检验。因此，使用多年后必须对传感器能否进行准确测量进行检验或者定期用测试气体测试其正常运行情况。基于TDLS技术的一氧化碳监测器可以实现自身监测。
举例而言，基于TDLS的一氧化碳检测可以在职业环境中对工作地点实施安全监测，这种情况下不仅购置成本极高，而且运行成本(例如定期检查所引起的)也很大。此外，免于维护也是一种重要因素。采用可调谐激光二极管的激光光谱法可应用于建筑物、飞行器和水上交通工具的火灾检测、燃烧装置的控制和监测，以及用作内燃机的故障预警器。
可调谐激光二极管原则上存在两种调谐方案。一种是通过激光二极管的温度并结合光谱的某一分区进行调谐，这种方案的调谐速度相对较慢。如果通过改变工作电流来调谐激光二极管，则调谐速度快于上述方案。然而在一般情况下，调谐激光二极管时的波长标度可能不是线性的。这意味着难以了解被光谱覆盖的具体结构。此外，由于待测气体(例如一氧化碳)并不存在于大气中，当然不会被检测出。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是在被可调谐激光二极管或激光器所覆盖的光谱中分别对与工作温度或工作电流有关的各条吸收谱线进行可靠识别。本发明还提供一种在使用期限内不受漂移现象或老化现象影响的传感器。
这个目的通过相关主权利要求的相应特征组合而达成。本发明的有利设计方案由从属权利要求给出。
本发明克服了以下缺点，即在用可调谐激光器或激光二极管测量吸收光谱的过程中，难以足够明确地了解该激光器或激光二极管的发射波长，因而难以对光谱进行准确分析。本发明的方法可借助于通过电流调谐且调谐范围较宽的激光二极管而实现，其中，调谐时至少覆盖0.5nm以便进行光谱测量。电子器件(例如激光二极管)的技术进步通常会产生发射波长范围更广的实例。TDLS(可调谐激光二极管激光光谱)技术的实质在于可以采用各种类型的激光二极管。能否准确选择适合某种方法的激光二极管，这一点取决于很多参数。重要的是，需要具备单色光源、吸收路径、光电检测器以及用于控制测量过程并进行分析的电子设备。
本发明还克服了以下缺点：比如说尽管可以在某些范围内调谐激光二极管，特别是通过工作电流，但是在初始时无法确知与各谱线的相互关系。为了对二极管的波长标度进行相对于工作电流的校准，在该波长标度的较宽波长范围内对该激光二极管进行调谐时，使该激光二极管在(例如)至少0.5纳米范围内受到调谐。在光谱中将这一调谐范围定位成使得其中不仅包含参考气体的至少两条或多条已知的吸收谱线，同时还包含目标气体可能已知的吸收谱线。借此可使二极管的波长标度得到可靠校准，从而在极窄的频率调谐范围内在工作电流与发射波长之间建立精确的对应关系。
随着所谓垂直发射激光二极管VCSEL的最新发展，例如能够以2.3μm的波长检测CO，这一有利数据使得TDLS技术在可靠性和速度方面得到进一步提高。因此，采用垂直发射激光二极管十分有利，这种激光二极管可发射(例如)2.3μm单色光，此外通过改变工作电流还可覆盖至少达到3.0或4.0纳米的光谱。
参与测量过程的参考气体可有利地直接安置在主光路上的参考气体室内。该参考气体室例如可与光电检测器同处一个壳体内。这就使得样气室与参考气体室在光路上串联在激光二极管和光电检测器之间。本发明的方法可以在不影响可靠性的情况下对此加以充分利用。参考气体和目标气体应当是不同气体。
如果目标气体总是存在于大气或样气中，则有利的是：参考气体的至少一条吸收谱线被至少一种目标气体的至少一条吸收谱线代替。
如果将在较窄的第二调谐宽度上进行调谐所得的吸收谱线与经计算得到的吸收谱线进行比较，并且采用线性回归算法来进行非迭代曲线拟合，就可以特别快的速度一个步骤中算出所述至少一种目标气体的浓度。
在参考气体和目标气体不是同一种气体的情况下，参考气体室与光电检测器及吸收路径的串联很容易实现。
附图说明
下面借助附图对本发明的实施例进行详细说明，这些实施例对本发明不构成任何限制。其中：
图1为所包含的数条单个吸收谱线的一波长差异化光谱(
Spektrum)，其代表了多种特定气体；甲烷的吸收谱线可用来校准光谱或工作电流；
图2为一对应于图1的窄波长范围，该波长范围包含目标气体(在此为一氧化碳CO)的至少一条吸收谱线；
图3为一氧化碳传感器的示意性结构图，该一氧化碳传感器包含参考气体室和分析单元，特别包含有集成的测量室和用作发射器的激光二极管；以及
图4为一传感器结构，包含串联的激光二极管1、测量室5和带光电检测器的参考气体室6。
具体实施方式
由于垂直发射激光器(简称VCSEL)的调谐范围较广，因此可以覆盖较大的光谱宽度来识别波长，例如至少0.5nm(VCSEL为760nm)至4.0nm(VCSEL为≥2μm)。相应光谱的记录用时可例如为640ms。在图1所示的较宽扫描范围以外，根据强吸收谱线(例如甲烷谱线)的已知位置提取波长标度。借此在为了调谐激光二极管而发生变化的工作电流与光谱中的相应波长之间建立准确的对应关系。
图2展示的是一种目标气体(此处为一氧化碳(CO))的吸收谱线8。图2所示与波长有关的调谐范围包含在图1所示的波长范围内，或者是后者的一个子集。因此，通过按图1所示进行校准且只要每次测量目标气体时都进行这种校准，就可对(例如)一氧化碳进行极其精确的检测。特定而言可以采用这样一类激光器或激光二极管，其调谐方式可以使得一氧化碳的至少一条吸收谱线和作为参考气体的甲烷的至少三条吸收谱线被包含在内，并且这类激光器或激光二极管可在(例如)4.0nm波长范围内被调谐。这样就可以在按图2所示对目标气体进行任一次测量之前，顺利地借助覆盖范围更大的频谱或较窄的第二调谐宽度15按图1所示以测量形式进行初步校准，由此可对频率标度进行校准，分析时也不会出现与谱线位置相关的任何误差。
如图3所示，光电检测器2的壳体实施为参考气体室6，其中，光电检测器2的这个壳体中存在体积百分比(例如)为10％的甲烷(CH4)。光电检测器2例如可由InGaAs二极管构成。图3所示的这部分结构均可安置在一个未予详细图示的壳体内，该壳体上连接有用于控制和分析相应方法的分析单元3。例如将一个测量室5(即吸收路径)与一球面镜4结合，使得激光二极管1所发射的光束的光路在至少两次横穿该吸收路径后到达光电检测器2。
真正意义上的气体浓度检测和测定包括在宽波长范围和窄波长范围内进行光谱测量，参见图1和图2。较宽的第一调谐宽度14用于进行波长识别，即用于测定激光可通过电流调谐的波长调谐响应。由于不能保证这种响应在激光器的使用年限内不发生变化，因此，需要以合适的间隔重复图1所示的较宽调谐宽度14来进行持续校准，以保证一氧化碳测量的可靠性。吸收谱线识别是一种模式识别且针对各种气体组成都能可靠运行。
通过在光谱某一波长范围的记录过程中准确了解波长标度，可有效实施线性曲线拟合。这通过对光谱的气体浓度予以定标而实现。所述实施例展示了一氧化碳(CO)和甲烷(CH)的浓度以及一偏移量。每次用较宽光谱范围进行调谐后，借助表格化线性参数(Linienparameter)解析计算模型光谱。线性一致性实施为可计算的标积，其中在上述传感器中，在24MHz微处理器上实现例如10Hz的测量率以及完整的曲线拟合。测量率也可高于这个值。与不准确了解波长标度的传统“曲线拟合”迭代法相比，本发明方法的速度提高了一至二个数量级。举例而言，通过一个积分时间为100ms的一氧化碳传感器可达到可靠检测一氧化碳的目的。这样就可确保在足够短的测量时间内对最高工作场所浓度(MAC值)进行可靠检测。也可达到在气体燃烧器的排气中迅速而可靠地进行一氧化碳测量。如采用更长的积分时间，则甚至可以进行亚PPM级的测量。
图1和图2的横坐标是单位为μm的波长。纵坐标是标准化光谱。光谱随时都可以被转换或显示为频率的函数。
图1展示的是用作参考气体的甲烷的强、弱吸收谱线。根据激光器或激光二极管的调谐电流来校准参考光谱时，对在较宽波长范围内为校准进行光谱测量时已被了解的两种或三种参考气体及其已知吸收谱线加以利用，是有利的。这样就可在两个或三个位置上准确定义被覆盖的光谱或与之对应的调谐电流。随后可在图1所示的这个较宽光谱的一个分区中进行调谐以检测目标气体的吸收谱线8。图2中用10表示的曲线对应的是一氧化碳浓度测量。参考符号11表示的是经过线性曲线拟合的曲线。
目标气体(这里是一氧化碳)的吸收谱线8与这两条测得的和校准的曲线10、11之间只存在细微差别。这种情况就说明存在一定的一氧化碳浓度，亦即，所存在的目标气体的量是可测的。
只要参考气体和目标气体不是同一种气体，就可以在不影响可靠性的情况下串联布置吸收路径5和参考气体室6。图4展示了这种类型的布置方法。参考气体(这里是甲烷)的吸收谱线7用作波长标记。为了实现相应的识别方案，需要采用可调谐范围较宽的激光器或激光二极管。这是必要的，因为目标气体和参考气体的吸收谱线相距数纳米。这一点在图1中显示得非常明确。在近红外范围内，常规的边发射半导体激光器只有在最多2nm的范围内才能通过工作电流加以调谐。本发明采用在红外或近红外范围(NIR)内波长调谐范围至少为2.5nm的半导体激光器。在采用上述串联方案的情况下，不必再设置分光器。可以采用成本低廉的带凹面镜4的反射几何结构。图3对此予以了展示。此外，在几何范围相同的情况下，这种布置方法可以产生双倍光路长度。
如图4所示，光电检测器2配有一种参考气体，该参考气体存在于参考气体室6内。连同未予图示的光学***在内，这套测量技术设备就足以实现相应目的。整体而言不必单独为参考气体使用一个器皿。采用普通光学***的设计方案还可减少所需组件的数量。在目标气体不同于参考气体的情况下，也不会产生需要区分样气与参考气体的问题。
所实施的测量系通过一个垂直发射激光器(VCSEL)而实现。一氧化碳监测器采用以2.3μm波长发射激光的激光器。可用紧凑型光学参考气体室5进行校准。由此可使得采用以下设计方案的传感器在其整个使用期限内(一般超过10年)得到精确校准：其较宽调谐宽度用于波长识别或校准，其较窄调谐宽度用于一氧化碳浓度测定。
本发明的优势还在于可对传感器的诸如光路阻塞、参考气体向外扩散等故障进行可靠识别。此外还可对激光器的老化现象进行补偿。
除了提高可靠性以外，在测量期间准确了解波长标度还可实现紧凑的传感器结构并使数据分析速度提高多个数量级，而且这种了解无需借助于外部波长参考装置或单独的参考室。这样可以大幅改善传感器配备测量仪器的条件。上述方案是通用型或准通用型方案。举例而言，该方案也可用于以一波段的约1.8μm波长并借助参考气体H2O来检测一氧化氮(NO)，或者以2μm波长并借助参考气体CO2来检测水(H2O)。
进行浓度测量时，可以降低参考气体的测量精度要求。
Claims (6)
1.一种借助激光光谱用一激光器检测至少一种目标气体的方法，所述激光器的发射波长为单色且可通过工作温度或工作电流的改变来加以调谐，其特征在于，
在所述至少一种目标气体的一波段的波长范围内一第一调谐宽度(14)上对所述激光器进行一第一调谐，其中，光谱中包含有一参考气体的至少两条吸收谱线(7)和所述至少一种目标气体的至少一条吸收谱线(8)，用于对所述激光器的波长标度进行相对于已变化工作温度或已变化工作电流的校准，
在所述至少一种目标气体的所述波段的波长范围内一第二调谐宽度(15)上对所述激光器进行一第二调谐，其中，所述第二调谐宽度(15)窄于所述第一调谐宽度(14)，其中，光谱中包含有所述至少一种目标气体的所述至少一条吸收谱线(8)中的至少一条吸收谱线，用于检测所述至少一种目标气体，
其中，所述目标气体和所述参考气体为不同气体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
除检测所述至少一种目标气体外，还测量其浓度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
如果所述目标气体的一最低浓度始终存在，就用所述至少一种目标气体的所述至少一条吸收谱线(8)中的至少一条吸收谱线来代替一参考气体的至少两条吸收谱线(7)中的至少一条吸收谱线。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
将一测量室(5)和一参考气体室(6)串联在所述激光器的光路上。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
借助绝对波长标度来实施用于校准所述激光器电流或所述激光器温度的所述第一调谐，并连续多次实施用于检测所述至少一种目标气体的所述第二调谐。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
将在所述第二调谐宽度(15)上进行的一调谐过程中的一吸收光谱与一经计算得到的吸收光谱进行比较，其中，采用线性回归算法来进行一非迭代曲线拟合，以便在一个步骤中算出所述至少一种目标气体的浓度。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP08012398.7 | 2008-07-09 | ||
| EP08012398 | 2008-07-09 | ||
| EP080123987 | 2008-07-09 | ||
| PCT/EP2009/058255 WO2010003857A1 (de) | 2008-07-09 | 2009-07-01 | Verfahren zur laserspektroskopischen detektion von gasen und gassensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102105779A CN102105779A (zh) | 2011-06-22 |
| CN102105779B true CN102105779B (zh) | 2013-04-24 |
Family
ID=40941853
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2009801267479A Active CN102105779B (zh) | 2008-07-09 | 2009-07-01 | 激光光谱检测气体的方法和气体传感器 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US8830469B2 (zh) |
| EP (1) | EP2307876B1 (zh) |
| CN (1) | CN102105779B (zh) |
| WO (1) | WO2010003857A1 (zh) |
Families Citing this family (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010106064A1 (de) * | 2009-03-17 | 2010-09-23 | Siemens Aktiengesellschaft | Nicht-lineare wellenlängenmodulation bei der laserspektroskopie |
| DE102011077634A1 (de) * | 2011-06-16 | 2012-12-20 | Siemens Ag | Automatische Identifikation der Wellenlänge eines Lasers |
| EP2610608B1 (en) * | 2011-12-27 | 2016-07-20 | HORIBA, Ltd. | Gas measurement apparatus and method for setting the width of wavelength modulation in a gas measurement apparatus |
| EP2990780B1 (en) | 2014-08-27 | 2020-04-08 | General Electric Company | System and method for dissolved gas analysis |
| DE102014226845B4 (de) * | 2014-12-17 | 2016-11-03 | Siemens Aktiengesellschaft | Absorptionsspektrometer |
| CN104568790B (zh) * | 2014-12-29 | 2017-03-08 | 南京大学 | 一种消除气体传感过程中激光器波长漂移导致误差的方法 |
| US9696204B2 (en) * | 2015-08-03 | 2017-07-04 | Spectrasensors, Inc. | Determination and correction of frequency registration deviations for quantitative spectroscopy |
| DE102016226215A1 (de) * | 2016-12-23 | 2018-06-28 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zur Korrektur der Wellenlänge und des Abstimmbereichs eines Laserspektrometers |
| CA3068247A1 (en) | 2017-06-21 | 2018-12-27 | Carrier Corporation | Hazardous gas detector with 1d array camera |
| DE102018101766A1 (de) * | 2018-01-26 | 2019-08-01 | HELLA GmbH & Co. KGaA | Verfahren zur Überwachung mindestens einer Infrarotstrahlungsquelle und Vorrichtung zur Überwachung des Alterungszustandes einer Infrarotstrahlungsquelle |
| EP3591379B1 (en) * | 2018-07-04 | 2022-01-26 | Q.E.D. Environmental Systems Limited | Portable optical spectroscopy device for analyzing gas samples |
| EP3633352B1 (de) | 2018-10-02 | 2020-12-30 | Axetris AG | Verfahren und anordnung zum relativen referenzieren eines zielgases in einem optischen messsystem für die laserspektroskopie |
| CN109406438A (zh) * | 2018-11-06 | 2019-03-01 | 宁波海尔欣光电科技有限公司 | 光源封装体和用于检测气体的浓度的*** |
| CN110806395A (zh) * | 2019-11-19 | 2020-02-18 | 国网重庆市电力公司电力科学研究院 | 一种气体浓度测量方法、装置、设备及*** |
| CN110927100B (zh) * | 2019-11-26 | 2022-11-29 | 宁波海尔欣光电科技有限公司 | 用于测量气体通量的***和测量气体通量的方法 |
| CN112147126A (zh) * | 2020-09-23 | 2020-12-29 | 广东电网有限责任公司广州供电局 | 气体检测装置及气体检测方法 |
| US20220307428A1 (en) * | 2021-03-23 | 2022-09-29 | General Electric Company | Hydrogen fuel leak detection system |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0263931A2 (de) * | 1986-10-04 | 1988-04-20 | Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh | Verfahren und Einrichtung zur kontinuierlichen Messung der Konzentration eines Gasbestandteiles |
| US5500768A (en) * | 1993-04-16 | 1996-03-19 | Bruce McCaul | Laser diode/lens assembly |
| CN1804585A (zh) * | 2006-01-18 | 2006-07-19 | 聚光科技（杭州）有限公司 | ***体分析***的标定方法 |
| CN101008612A (zh) * | 2007-01-29 | 2007-08-01 | 王健 | 一种半导体激光吸收光谱气体分析方法 |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4489239A (en) * | 1982-09-24 | 1984-12-18 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Portable remote laser sensor for methane leak detection |
| US4924095A (en) * | 1987-06-02 | 1990-05-08 | West Lodge Research | Remote gas analyzer for motor vehicle exhaust emissions surveillance |
| US5184241A (en) * | 1989-06-21 | 1993-02-02 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics & Space Admininstration | Doppler shift compensation system for laser transmitters and receivers |
| US5877862A (en) * | 1997-08-26 | 1999-03-02 | Aerodyne Research, Inc. | Laser system for cross-road measurement of motor vehicle exhaust gases |
| US6091504A (en) * | 1998-05-21 | 2000-07-18 | Square One Technology, Inc. | Method and apparatus for measuring gas concentration using a semiconductor laser |
| US6631019B1 (en) * | 2000-07-05 | 2003-10-07 | Sri International | Reconfigurable multichannel transmitter for dense wavelength division multiplexing (DWDM) optical communication |
| DE10063678A1 (de) * | 2000-12-20 | 2002-07-18 | Siemens Ag | Verfahren zur selektiven Detektion von Gasen mittels Laserspektroskopie |
| FR2841984B1 (fr) * | 2002-07-03 | 2004-11-12 | Jobin Yvon Sa | Systeme differentiel d'analyse pour la spectrometrie raman analytique et industrielle |
| US6822742B1 (en) * | 2003-12-19 | 2004-11-23 | Eastman Kodak Company | System and method for remote quantitative detection of fluid leaks from a natural gas or oil pipeline |
| FI20041197A0 (fi) | 2004-09-15 | 2004-09-15 | Vaisala Oyj | Menetelmä optisen kaasunpitoisuuden mittauksen parantamiseksi |
| NO326482B1 (no) | 2005-05-31 | 2008-12-15 | Integrated Optoelectronics As | En ny infrarod laserbasert alarm |
-
2009
- 2009-07-01 US US13/003,464 patent/US8830469B2/en active Active
- 2009-07-01 WO PCT/EP2009/058255 patent/WO2010003857A1/de active Application Filing
- 2009-07-01 EP EP09780056.9A patent/EP2307876B1/de active Active
- 2009-07-01 CN CN2009801267479A patent/CN102105779B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0263931A2 (de) * | 1986-10-04 | 1988-04-20 | Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh | Verfahren und Einrichtung zur kontinuierlichen Messung der Konzentration eines Gasbestandteiles |
| US5500768A (en) * | 1993-04-16 | 1996-03-19 | Bruce McCaul | Laser diode/lens assembly |
| CN1804585A (zh) * | 2006-01-18 | 2006-07-19 | 聚光科技（杭州）有限公司 | ***体分析***的标定方法 |
| CN101008612A (zh) * | 2007-01-29 | 2007-08-01 | 王健 | 一种半导体激光吸收光谱气体分析方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20110181879A1 (en) | 2011-07-28 |
| WO2010003857A1 (de) | 2010-01-14 |
| EP2307876B1 (de) | 2017-11-01 |
| CN102105779A (zh) | 2011-06-22 |
| US8830469B2 (en) | 2014-09-09 |
| EP2307876A1 (de) | 2011-04-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102105779B (zh) | 激光光谱检测气体的方法和气体传感器 | |
| CN102272564B (zh) | 用于执行光学吸收测量的方法和*** | |
| RU2461815C2 (ru) | Способ и устройство для обнаружения газов, частиц и/или жидкостей | |
| Chen et al. | VCSEL-based calibration-free carbon monoxide sensor at 2.3 μm with in-line reference cell | |
| US10670517B2 (en) | Wavelength modulation spectroscopy gas sensor calibration | |
| US10545089B2 (en) | Gas detection apparatus and method | |
| CA2884722A1 (en) | Method and system for determining energy content and detecting contaminants in a fluid stream | |
| CN104897599A (zh) | 用于检测物质的方法和装置 | |
| CN105388120B (zh) | 基于wmrf模型的免定标波长调制光谱气体检测方法 | |
| EP3139152A1 (en) | Optical methane detector using higher harmonic background functions for determining the methane concentration | |
| EP3321656B1 (en) | Methods and apparatus for measuring small leaks from carbon dioxide sequestration facilities | |
| CN105372188A (zh) | 测量测量气的感兴趣的气体组分浓度的吸收光谱仪和方法 | |
| CN103196852B (zh) | 一种具有自动线性校正功能的***体检测方法 | |
| US20060109470A1 (en) | Measuring environmental parameters | |
| Hamilton et al. | Multi-mode absorption spectroscopy, MUMAS, using wavelength modulation and cavity enhancement techniques | |
| CN111521581A (zh) | 一氧化碳和甲烷组分判断及浓度检测方法、装置及应用 | |
| US10739255B1 (en) | Trace moisture analyzer instrument, gas sampling and analyzing system, and method of detecting trace moisture levels in a gas | |
| CN102346133A (zh) | 煤矿瓦斯监测装置和监测方法 | |
| CN107389609A (zh) | 一种基于多模激光光谱技术的一氧化碳气体浓度检测方法 | |
| CN117214133A (zh) | 一种基于tdlas的具有测距功能的甲烷检测方法 | |
| US7091487B2 (en) | Non-dispersive ir measurement of gases using an optical filter | |
| Frish et al. | Precision and accuracy of miniature tunable diode laser absorption spectrometers | |
| CN204855367U (zh) | 用于检测气体浓度的激光光谱仪 | |
| US20220074850A1 (en) | Gas detection system | |
| CN111208082A (zh) | 基于中红外吸收光谱测量的气体检测*** |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |