CN102346138A - 气体浓度测量装置 - Google Patents
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Abstract
在使用TDLAS测量法的气体浓度测量装置中，将用于成分检测的具有预定频率的调制电流与用于波长扫描的锯齿状驱动电流叠加并且提供至第一激光二极管(LD)(1)，而将与锯齿状驱动电流同步且沿相反方向变化的逆锯齿状驱动电流提供至第二LD(5)。从LD(1和5)发出的激光束分别被ND滤波器(3和7)衰减并经由半透半反镜(4)被混合，以照射到测量单元(9)内。光检测器(10)检测经历了目标成分的吸收的混合激光束。两个激光束的与波长扫描操作相关联的光量的变化彼此抵消，由此减小了在波长切换时出现在光检测器(10)的输出中的阶梯状变化。结果，防止了在相敏检测处理中出现高频噪声。
Description
技术领域
本发明涉及通过使用气体对激光的吸收来测量该气体中所包含的特定成分的浓度的气体浓度测量装置，尤其涉及使用可调谐二极管激光吸收光谱测量法(tunable diode laser absorptionspectroscopy measurement)的气体浓度测量装置。
背景技术
作为用于测量气体浓度的一种方法，众所周知有被称为可调谐二极管激光吸收光谱测量法(以下简称为“TDLAS”测量法)的技术(例如，参加专利文献1或非专利文献1)。在一般的TDLAS测量法中，将预定频率f的调制激光束照射到充满有要分析的气体的测量单元内，并且利用光检测器检测已通过该气体的激光束的强度。该气体中所包含的各种成分分别吸收特定波长的光。因此，当以充分低于调制频率f的频率扫描激光束的波长时，在该气体的目标成分的特有频率附近发生对激光束的强烈吸收。该吸收显现为调制频率f的谐波分量。因此，进行相敏检测以提取光检测器所产生的检测信号中包含的调制频率f的谐波分量(通常为二次谐波分量)，并且根据提取出的分量的大小来确定被分析气体中目标成分的浓度。
TDLAS测量法是光检测器和其它检测元件不与被分析气体相接触的非接触式测量法。因此，可以在不干扰气体场的情况下进行测量。该方法还具有以下优点：响应时间极短使得能够近似实时地测量气体浓度，以及测量灵敏度高。
尽管可以通过模拟信号处理来实现TDLAS测量法中的相敏检测，但近来数字信号处理技术的进展已使得可以通过数字信号处理来进行相敏检测(例如，参见非专利文献2)。在使用数字信号处理的相敏检测中，将检测信号与频率高达调制频率f的两倍的参考信号相乘，之后利用数字滤波器去除不需要的AC分量。数字滤波器可大致分成FIR(有限脉冲响应)型滤波器和IIR(无限脉冲响应)型滤波器。IIR滤波器具有可以利用小的电路规模来实现高水平的滤波效果的优点。由于该原因，在非专利文献2所述的装置中，使用IIR滤波器来进行相敏检测。IIR滤波器是将以前的滤波计算结果反馈到同一滤波器的输入端的递归滤波器。因此，当检测信号中出现与测量无关的大的噪声时，由于在后续计算中重复使用包括该噪声的计算结果，因此在该计算结果中可能产生大的误差。
在TDLAS测量法中，为了近似实时地持续测量气体中目标成分的浓度，在大多情况下，如图7所示，重复改变激光束的波长以扫描该目标成分的吸收波长λ附近的相对窄的范围λ1～λ2。根据测量的响应时间和/或分辨率来确定波长扫描操作的重复频率。将调制频率f设置为波长扫描频率的1000倍以上。对于该波长扫描操作，提供至可调谐二极管激光的驱动电流以锯齿形变化。在该可调谐二极管激光中，不仅振荡波长依赖于驱动电流，发光强度也依赖于驱动电流。因此，当用于波长扫描操作的驱动电流以锯齿形变化时，如图8的A所示，光检测器所产生的检测信号(接收到的光的强度)也以大致锯齿形变化。
对于在波长扫描操作期间的波长切换(从一次扫描周期结束的波长切换到下一周期开始的波长)时陡峭变化的检测信号，如果进行了相敏检测以提取调制频率f的谐波分量，则如图8的B所示，发生在波长切换时的脉冲噪声可能显现为与由于目标成分的吸收而产生的峰波形一样具有高频的噪声信号。如果将这种高频噪声重复反馈到用于进行相敏检测的IIR滤波器，则该噪声很可能在相当长的时间段内影响滤波处理并且使由于目标成分的吸收而产生的峰波形的形状变形，由此构成了浓度误差的主要原因。
背景技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平09-33430
非专文献
非专利文献1：J.Reid and D.Labrie，“Second-HarmonicDetection with Tunable Diode Lasers-Comparison of Experimentand Theory”，Appl.Phys.，B26，1981，pp.203-210
非专利文献2：N.Matsuda et al.，“Reeza KyuukouBunkou-hou Wo Mochiita Kousoku Koukando Gasu KeisokuSouchi No Kaihatsu(Development of High-Speed andHigh-Sensitivity Gas Measurement System using LaserAbsorption Spectroscopy)”，Shimadzu Hyouron(ShimadzuReview)，Shimadzu Hyouron Henshuu-bu，September 30，2009，Vol.66，No.1/2，pp.45-51
发明内容
发明要解决的问题
考虑到前述问题而研发了本发明，并且本发明的目的是提供一种使用TDLAS测量法的气体浓度测量装置，其中，由于相敏检测处理期间的波长扫描而引起的脉冲噪声信号被抑制，使得可以提取正确地反映了气体中目标成分的浓度的峰信息，并且可以根据该信息来精确地确定气体浓度。
用于解决问题的方案
目的在于解决前述问题的本发明是一种利用可调谐二极管激光吸收光谱测量法来测量气体中特定成分的浓度的气体浓度测量装置，其包括：
a)多个激光源，其包括具有可变波长的第一激光源；
b)激光驱动控制器，其用于向所述第一激光源提供驱动电流，从而以预定的调制频率对所述第一激光源的振荡波长进行调制并且按预定波形重复扫描包括目标成分的吸收波长的预定波长范围，并且用于向所述多个激光源中的另一激光源提供驱动电流，从而使所述另一激光源的发光量按逆波形变化，其中，所述另一激光源的发光量按所述逆波形变化是指，所述另一激光源的发光量与按所述预定波形进行的波长扫描同步地且以与所述波长扫描相关联的发光量变化相反的增长方式重复变化；
c)测量单元，其用于保持要分析的气体，并被配置为使从所述第一激光源发出的激光束照射到所述测量单元内；
d)光混合器，其用于将从所述多个激光源分别发出的、要照射到所述测量单元内的多个激光束混合，或者用于将从所述多个激光源分别发出的、包括通过了所述测量单元的至少一个激光束和绕过了所述测量单元的至少一个激光束的多个激光束混合；
e)光检测器，其用于接收由所述光混合器所产生的混合激光束，其中，所述混合激光束包括从所述多个激光源分别发出的多个激光束，并且这多个激光束中的至少一个激光束通过了所述测量单元；以及
f)解调器，其用于通过相敏检测从利用所述光检测器获得的检测信号提取所述调制频率的基本分量或所述调制频率的谐波分量，
其中，在所述光混合器将所述多个激光束混合以及所述光检测器接收所述混合激光束的阶段，与按所述预定波形进行的波长扫描相关联的发光量的变化和所述逆波形的发光量的变化彼此抵消，以使得在所述光检测器的输出级平滑了与所述波长扫描相对应的输出变化。
在根据本发明的气体浓度测量装置的典型模式中，使与扫描所述第一激光源的振荡波长相关联的发光量的变化表现为锯齿形，而使所述多个激光源中的前述另一激光源的发光量的变化表现为具有相反的变化方向的逆锯齿形。即，所述“预定波形”可以是锯齿形，并且所述“逆波形”可以是逆锯齿形。
在根据本发明的气体浓度测量装置用于测量仅一种目标成分的浓度的情况下，仅需使用包括一个具有可变波长的激光源的两个激光源。在这种情况下，激光驱动控制器向具有可变波长的第一激光源提供驱动电流，从而以预定的调制频率对该第一激光源的振荡波长进行调制并且按预定波形(例如，锯齿形)以低于该调制频率的频率重复扫描包括目标成分的吸收波长的预定波长范围，并且还向第二激光源提供驱动电流，从而使该第二激光源的发光量按逆锯齿形变化，该第二激光源的发光量按该逆锯齿形变化是指，该第二激光源的发光量与按锯齿形进行的波长扫描同步地、以与该波长扫描相关联的发光量的变化相反的方向重复变化。在这种情况下，第二激光源无需具有可变波长；该第二激光源可以是固定波长型。即使当第二激光源是可变波长型时，也无需对该第二激光源的输出光束进行调制。此外，即使当第二激光源是可变波长型并且发光量根据按逆锯齿形进行的波长扫描操作而变化时，该第二激光源的波长扫描范围也可以不同于由第一激光源按锯齿形进行的波长扫描操作的波长扫描范围。
如果第一激光源和第二激光源的诸如针对驱动电流的发光量(功率)和电流-发光量转换效率(斜率效率)等的发光特性充分相等，并且如果光检测器的波长-感光特性可被看作为恒定，则在从第一激光源和第二激光源分别发出的两个激光束混合到一起的阶段以及在混合激光束入射到光检测器并且经历光电转换的阶段，由于发光量的锯齿状变化和发光量的逆锯齿状变化这两种锯齿状变化彼此相反，因此与发光量的锯齿状变化相关联的输出变化和与发光量的逆锯齿变化相关联的输出变化彼此大致抵消。特别地，由于减小了在波长扫描操作中的波长切换时输出中出现的阶梯状变化，因此该输出的DC电平近似恒定。当然，由于前述的抵消对与激光源的振荡波长的频率调制相关联的光量的变化以及由于要分析的气体中的成分的吸收而引起的光量的变化均不产生影响，因此目标信号分量保持不变。
然而，在一些情况下，难以准备发光特性充分相等的多个激光源。还难以创建无论波长如何、波长-感光特性都恒定的光检测器。鉴于这些因素，在根据本发明的气体浓度测量装置的一个优选模式中，在所述多个激光源至少之一与位于所述测量单元之前的光混合器之间或者在所述测量单元与位于该测量单元之后的光混合器之间设置用于减少光量的光衰减器，以使得在所述光检测器的输出级平滑了与所述波长扫描相关联的输出变化。例如，可以利用中性密度(ND)滤波器作为所述光衰减器。
在该模式中，在光混合器将多个激光束混合之前对至少一个激光束的光量进行适当控制，从而减轻由激光源的发光特性的差异或光检测器的波长-感光特性的不均匀产生的影响，由此使得在光检测器的输出级充分减小了输出中与波长扫描操作中的波长切换相关联的DC电平的变化。在通过光混合器混合(相加)激光束而产生了可能使光检测器的输出饱和的过强激光束的情况下，光衰减器还对于调整总光量有用。
为了同时测量要分析的气体中所包含的两种(第一和第二)目标成分的浓度，根据本发明的气体浓度测量装置可被构造成如下：所述多个激光源是各自具有可变波长的第一激光源和第二激光源这两个激光源；所述激光驱动控制器向所述第二激光源提供驱动电流，从而以与前述预定的调制频率不同的第二调制频率对所述第二激光源的振荡波长进行调制，并且重复扫描包括第二目标成分的吸收波长的预定波长范围；以及所述气体浓度测量装置还包括第二解调器，所述第二解调器用于通过相敏检测从利用所述光检测器获得的检测信号提取所述第二调制频率的基本分量或所述第二调制频率的谐波分量。
还可以通过如下的结构来同样实现同时测量气体中所包含的三种以上的目标成分的浓度：
提供与目标成分的数量相同数量的波长可变型激光源；
向这些激光源提供驱动电流，以使得以不同的调制频率对各个激光源的振荡波长进行调制并且重复扫描包括各个目标成分的吸收波长的预定波长范围，其中，至少一个激光源的波长扫描操作的波长变化方向与其它激光源的波长扫描操作的波长变化方向相反；
在通过光衰减器对来自各个激光源的激光束的光量进行适当调整之后，混合这些激光束；以及
将混合激光束照射到测量单元内，
其中，在光检测器的输出级，充分减小了与波长扫描操作中的波长切换相关联的输出变化。
发明的效果
在根据本发明的气体浓度测量装置中，减小并平滑了光检测器的输出信号在波长扫描操作中的波长切换时的陡峭变化，由此防止了在相敏检测处理的输出中出现具有高频的脉冲噪声信号。因此，即使当使用IIR型数字滤波器来进行相敏检测处理时，由于目标成分的吸收而产生的峰波形也不会因高频噪声的影响而变形，从而可以以高精确度计算目标成分的浓度。
此外，在根据本发明的气体浓度测量装置中，可以有效地利用为了同时测量多个目标成分的浓度而生成的多个复用(波分复用)激光束，从而减小并平滑了光检测器的输出信号在波长扫描操作中的波长切换时的陡峭变化。因此，可以仅利用相对简单的结构和微小的成本增加来实现同时测量多个成分和去除波长切换时的高频噪声这两者。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的气体浓度测量装置的示意结构图。
图2是示出图1所示的气体浓度测量装置的变形例的示意结构图。
图3是说明根据本发明的气体浓度测量装置的噪声降低的原理的图。
图4是示出根据本实施例的气体浓度测量装置中光检测器的输出波形和相敏检测输出波形的波形图。
图5是根据本发明的另一实施例的气体浓度测量装置的示意结构图。
图6是示出图2所示的气体浓度测量装置的变形例的示意结构图。
图7是示意性示出波长扫描操作期间可调谐二极管激光的振荡频率的时间变化的图形。
图8是示出传统的气体浓度测量装置中光检测器的输出波形和相敏检测输出波形的波形图。
附图标记说明
1、5、30...可调谐激光二极管(LD)
2、6...LD驱动器
3、7、31...ND滤波器
8、32...镜
4、33...半透半反镜
9...测量单元
10...光检测器
11...放大器
13、15...相敏检测器
14、16...数字低通滤波器(DLF)
17...数据处理器
18...输出单元
20、23...调制振荡器
21...正锯齿状扫描振荡器
22、25...加法器
24...逆锯齿状扫描振荡器
具体实施方式
以下将参考附图来说明根据本发明的气体浓度测量装置的一个实施例。图1是示出本实施例的气体浓度测量装置的主要组件的结构图。首先，利用图3、图4来说明在本实施例的气体浓度测量装置中减少与波长扫描相关联的相敏检测输出中出现的高频噪声信号的原理。图3是示出根据本实施例的气体浓度测量装置的光学***的示意结构图。图4是示出光检测器的输出和相敏检测输出的波形图。
在传统的利用TDLAS测量法的气体浓度测量装置中，如图7所示，如果激光束的振荡波长以锯齿形变化从而重复扫描预定波长范围，则光检测器的输出在一个波长扫描周期结束并且下一周期开始时以阶梯状形式大幅变化，从而导致相敏检测输出中出现高频噪声。相反，这表示可以通过减小并平滑光检测器的输出中的阶梯状变化(即，通过减少该输出中DC电平的波动)来抑制高频噪声信号的生成。应当注意，在TDLAS测量法中，由于调制频率的谐波分量的大小反映了目标成分的吸收程度，或者更简言之，由于调制信号的波形的变形程度反映了目标成分的吸收程度，因此即使减少出现在光检测器的输出中的DC电平的阶梯状变化，所需信息也不会丢失。
在图3中，以虚线A圈出在根据本实施例的装置中添加的部分。如果去除了这些部分，则剩余的结构为用作以下的传统装置：从LD驱动器(未示出)向第一可调谐激光二极管1(以下简称为第一LD 1)提供电流。通过将频率f的调制电流叠加在用于沿着波长增大方向进行波长扫描操作的锯齿状驱动电流上来产生该电流。作为该电流提供的结果，第一LD 1的振荡波长如图7所示变化。第一LD 1以这种方式生成的激光束照射到持续地提供有要分析的气体的测量单元9内。该激光束在通过测量单元9时被该气体中所包含的成分吸收。已经历了吸收的激光束到达诸如InGaAs光电二极管等的光检测器(PD)10。光检测器10输出与该接收到的光的强度相对应的电流信号。由于不仅第一LD 1的发光强度依赖于所提供的电流、第一LD 1的振荡波长也依赖于所提供的电流，因此第一LD 1的发光强度如图7所示变化。因此，光检测器10的检测输出如图8的A所示。
在根据本实施例的气体浓度测量装置中，在第一LD 1和测量单元9之间设置第一ND滤波器3和半透半反镜4。从第一LD 1发出的激光束在到达测量单元9之前通过第一ND滤波器3和半透半反镜4。本装置附加设置有第二可调谐激光二极管5(第二LD 5)、第二ND滤波器7和镜8。从第二LD 5发出的激光束通过第二ND滤波器7并且由镜8全反射。该全反射的光的一部分由半透半反镜4反射，从而与来自第一LD 1的另一激光束混合(相加)。将该混合光束照射到测量单元9内。从LD驱动器(未示出)向第二LD 5提供驱动电流。该驱动电流是与前述提供至第一LD1的用于波长扫描操作的锯齿状驱动电流同步的逆锯齿状驱动电流。使逆锯齿状驱动电流改变，从而沿着波长减小方向、即沿着与锯齿状驱动电流相反的方向进行波长扫描操作。该逆锯齿状驱动电流上未叠加调制电流。本说明书中的“同步”表示以完全相同的频率和相同的振幅进行波长扫描操作。换言之，各扫描周期开始或结束的定时相同；不同之处仅在于波长的变化方向。第二LD 5的波长扫描范围与第一LD1的波长扫描范围可以相同或者不同。
与第一LD1的情况相同，第二LD 5的发光强度也依赖于所提供的电流。因此，如图3的左部所示，第二LD 5的发光强度以逆锯齿形变化。第一LD 1的发光强度的锯齿状变化和第二LD5的发光强度的逆锯齿状变化在周期和相位方面彼此一致，并且在变化方向方面彼此相反。因此，当这两个激光束在半透半反镜4处相加时，这两个激光束的强度的变化彼此抵消。然而，如果第一LD 1和第二LD 5之间在发光特性方面、更具体地在绝对发光量或电流-发光量转换效率(斜率效率)方面存在差异，或者如果光检测器10在波长扫描范围内的波长-感光特性不均匀，则通过仅将来自第一LD 1的光束与来自第二LD 5的光束混合不可能充分减小光检测器10的输出中与波长扫描操作相关联的信号变化。为了解决该问题，在考虑到第一LD 1和第二LD 5的绝对发光量和电流-发光量转换效率、光检测器10的波长-感光特性以及其它因素的情况下，预先确定第一ND滤波器3和第二ND滤波器7的光衰减特性，从而充分减小光检测器10的输出信号在波长切换时的变化。实际上，可以通过实验预先确定第一ND滤波器3和第二ND滤波器7各自的光衰减特性。
通过适当确定ND滤波器3和7各自的光衰减特性，如图4的A所示，可以大幅减小光检测器10的输出在波长扫描操作中的波长切换时的陡峭变化。在图4的A所示的例子中，波长切换时DC电平的微小阶梯状变化仍然残留。然而，只要在相敏检测输出中没有出现明显的噪声，就不会造成实质问题。即，不总是需要对光检测器10的输出水平进行平滑化以达到输出信号的波长切换点完全不可识别的程度；即使在DC电平中略微残留阶梯状变化，输出信号也可被看作为平滑。在本例子中为两个(即，ND滤波器3和7)的ND滤波器的数量可以根据用以控制光衰减特性的程度而适当变化。例如，可能无需衰减任何激光束，或者可能仅在这两个光路之一中设置一个ND滤波器就足够了。相反，如果一个ND滤波器不能实现充分的光衰减效果，则可以组合两个以上的ND滤波器。这还适用于后面将说明的其它实施例。
接着说明使用前述原理的图1所示的气体浓度测量装置的结构和操作。该气体浓度测量装置被设计成同时测量作为主要目标成分的一氧化碳(CO)的浓度和作为另一(第二)目标成分(例如，二氧化碳：CO2)的浓度。
在本实施例的气体浓度测量装置中，第一LD 1和第二LD 5是振荡波长在从近红外区域到中红外区域的范围内的DFB(Distributed Feedback，分布反馈)型激光器。然而，这种激光器并非唯一可能的选择。第一调制振荡器20生成具有第一调制频率f1的调制电流。正锯齿状扫描振荡器21生成用于对作为CO的吸收波长的λ0＝2.33μm附近的预定波长范围λ1～λ2进行扫描的锯齿状驱动电流。这两个电流通过加法器22彼此叠加，并且经由LD驱动器2提供至第一LD 1。另一方面，第二调制振荡器23生成具有与第一调制频率f1不同的第二调制频率f2的调制电流。逆锯齿状扫描振荡器24生成逆锯齿状驱动电流，该逆锯齿状驱动电流用于按与正锯齿状驱动电流同步的定时、沿波长减小方向对第二目标成分的吸收波长λ3附近的预定波长范围λ4～λ5进行扫描。这两个电流通过加法器25相加，并且经由LD驱动器6提供至第二LD 5。如上所述，在考虑到LD 1和5的发光特性、光检测器10在波长范围λ1～λ2和λ4～λ5内的波长-感光特性以及其它因素的情况下，预先适当确定了ND滤波器3和7的光衰减特性。
如前面所述，从第一LD 1发出的通过了第一ND滤波器3和半透半反镜4的激光束与第二LD 5发出的经由第二ND滤波器7和镜8而被半透半反镜4反射的激光束混合到一起并且照射到测量单元9内，其中要分析的气体正在测量单元9中流动。该激光束在通过测量单元9时被该气体中包含的成分吸收。如果该气体包含主要目标成分即CO，则在λ0＝2.33μm附近光被吸收。如果该气体包含第二目标成分，则波长为λ3的光被吸收。经历了这种吸收之后的激光束到达光检测器10，光检测器10产生与该接收到的光的强度相对应的电流信号。如前面所解释的，提供有锯齿状驱动电流的第一LD 1所产生的激光束和提供有逆锯齿状驱动电流的第二LD 5所产生的激光束被适当衰减并且混合到一起。结果，光检测器10的输出的DC电平近似平滑，其中在该输出中仅残留与波长切换相关联的微小阶梯状变化。当然，频率为f1和f2的信号以及由于波长λ0或λ3附近的吸收而引起的接收到的光的强度的减小均不受光混合处理的任何影响，并且被适当反映到光检测器10的输出中。
将光检测器10所产生的电流信号发送至放大器11，放大器11将该电流信号转换成电压信号并且放大该电压信号。模数转换器(ADC)12按预定采样间隔将放大后的信号转换成数字值(检测数据)。将这些数字值并行地发送至第一相敏检测器13和第二相敏检测器15。各自由数字锁定检测器和其它元件构成的相敏检测器13和15分别包括IIR型数字低通滤波器(DLF)14和16。第一相敏检测器13从第一调制振荡器20接收频率高达调制频率f1的两倍的参考信号，并且从检测数据提取与该参考信号的频率相对应的峰信号、即频率分量高达调制频率f1的两倍的二次谐波分量，并通过DLF 14去除其它的谐波分量。同时，第二相敏检测器15从第二调制振荡器23接收频率高达调制频率f2的两倍的参考信号，并且从检测数据提取与该参考信号的频率相对应的峰信号、即频率分量高达调制频率f2的两倍的二次谐波分量，并通过DLF 16去除其它的谐波分量。
包括峰检测器、校准存储器、气体浓度转换器和其它组件的数据处理器17计算相敏检测器13或15提取出的、由于目标成分的吸收而产生的各个峰信号的高度，并且根据这些峰的高度计算主要目标成分和第二目标成分的浓度。经由输出单元18输出计算出的浓度值。
在根据本发明的气体浓度测量装置中，如图4的A所示，在光检测器10的输出中没有出现与波长切换相关联的大的阶梯状变化，使得波长切换时在相敏检测器13和15的输出中没有出现脉冲状的高频噪声。因此，即使将该输出反馈到DLF 14或16的输入端，也不会对滤波处理产生大的影响，因而由于目标成分的吸收而产生的峰的波形不会变形。由于主要目标成分和第二目标成分而产生的吸收峰的高度正确地反映了各个目标成分的浓度，由此使得能够精确地计算气体浓度。
当测量的最初目的不是确定气体中多种成分的浓度、而是确定气体中一种特定成分的浓度时，装置结构可以变形为图2或6所示。即，不需要第二调制振荡器23、加法器25和第二相敏检测器15。在这种情况下，向第二LD 5仅提供用于波长扫描操作的逆锯齿状驱动电流，并且从第二LD 5发出的激光束未被调制。在这种情况下，第二LD 5的波长扫描范围可以与第一LD 1的范围相同。该设计使得在确定ND滤波器3和7的光衰减特性时不必考虑光检测器10的波长-感光特性。
在图2的结构中，与图1的结构相同，从第二LD 5发出的激光束也通过测量单元9。作为对比，在图6的结构中，从第二LD5发出的激光束在没有通过测量单元9的情况下进入光检测器10。当对第二LD 5的振荡波长进行适当设置、以使得测量单元9中的气体对该波长的光的吸收可忽略地小时，在通过测量单元9的激光束和绕开测量单元9的激光束之间光量无实质差异。因此，即使当来自第一LD 1的激光束在通过测量单元9之后与来自第二LD 5的激光束混合、并且混合光束被引入光检测器10时，所获得的效果也与在测量单元9之前的位置处混合激光束的情况下获得的效果相当。
在图2或图6的情况下，不用于进行浓度测量的第二LD 5无需是可调谐激光二极管。例如，第二LD 5可以具有固定的波长，只要第二LD 5的发光量随着驱动电流而变化即可。很显然，即使从第二LD 5发出的激光束的波长固定，如果对第二LD 5的发光量进行控制、以使得该发光量按与第一LD 1的对应于波长扫描操作的发光量的锯齿状变化同步的定时并以发光量沿相反方向变化的逆锯齿形变化，则也可以防止光检测器10的输出中出现与波长切换相关联的大的阶梯状变化。使用具有固定波长的激光二极管对于降低装置成本的增加量而言有利。
图1所示的结构意图同时测量两种成分，而图2和6所示的结构意图测量一种成分。很容易进一步增加LD的数量以创建用于同时测量三种以上的成分的结构。图5是为了同时测量三种成分所设计的气体浓度测量装置的光学***的结构图。以虚线A’圈出的部分是添加至传统装置的部分。在该例子中，从第一LD 1发出的激光束依次通过第一ND滤波器3、第一半透半反镜4和第二半透半反镜33，以照射到测量单元9内。从第二LD 5发出的激光束首先通过第二ND滤波器7，之后由镜8和第一半透半反镜4反射，以在通过第二半透半反镜33之后照射到测量单元9内。从第三LD 30发出的激光束首先通过第三ND滤波器31，之后由镜32和第二半透半反镜33反射，以照射到测量单元9内。
向第一LD 1和第三LD 30分别提供用于波长扫描操作的各自具有锯齿状波形的同步驱动电流，而向第二LD 5提供与前述锯齿状波形同步的逆锯齿状驱动电流。各驱动电流叠加有不同频率的调制电流。照射到测量单元9内的激光束是包括光量以锯齿形变化的两个光束和光量以逆锯齿形变化的一个光束的三个激光束的合成光束。可以通过对ND滤波器3、7和31的光衰减特性进行适当设置来使光检测器10的输出的DC电平平滑化。
用于分析目标成分的激光束的光量越大，通过相敏检测所获得的包括由于目标成分而产生的峰波形的信号的S/N比越高。因此，在利用ND滤波器调整光量的处理中，优选增大针对需要以高精确度确定浓度的成分所使用的激光束的光量，并且相对减少针对无需精确地计算浓度的成分所使用的激光束的光量。因此，应当根据目标成分的种类和精确度要求来适当确定波长扫描操作时的波长变化方向和各ND滤波器的光衰减特性。
应当注意，前述实施例仅是本发明的例子，并且显然，在本发明的精神内适当进行的任何改动、调整或添加都将落入本专利申请的权利要求书的范围内。例如，显然，可以利用光纤耦合器或其它的光学元件来替换前述实施例中用于混合多个激光束的半透半反镜。
Claims (5)
1.一种气体浓度测量装置，用于通过可调谐二极管激光吸收光谱测量法来测量气体中特定成分的浓度，所述气体浓度测量装置包括：
a)多个激光源，其包括具有可变波长的第一激光源；
b)激光驱动控制器，其用于向所述第一激光源提供驱动电流，从而以预定的调制频率对所述第一激光源的振荡波长进行调制并且按预定波形重复扫描包括目标成分的吸收波长的预定波长范围，并且用于向所述多个激光源中的另一激光源提供驱动电流，从而使所述另一激光源的发光量按逆波形变化，其中，所述另一激光源的发光量按所述逆波形变化是指，所述另一激光源的发光量与按所述预定波形进行的波长扫描同步地且以与所述波长扫描相关联的发光量的变化相反的增长方式重复变化；
c)测量单元，其用于保持要分析的气体，并且被配置为使从所述第一激光源发出的激光束照射到所述测量单元内；
d)光混合器，其用于将从所述多个激光源分别发出的、要照射到所述测量单元内的多个激光束混合，或者用于将从所述多个激光源分别发出的、包括通过了所述测量单元的至少一个激光束和绕过了所述测量单元的至少一个激光束的多个激光束混合；
e)光检测器，其用于接收通过所述光混合器所产生的混合激光束，其中，所述混合激光束包括从所述多个激光源分别发出的多个激光束，并且这多个激光束中的至少一个激光束通过了所述测量单元；以及
f)解调器，其用于通过相敏检测从利用所述光检测器获得的检测信号提取所述调制频率的基本分量或所述调制频率的谐波分量，
其中，在所述光混合器将所述多个激光束混合并且所述光检测器接收所述混合激光束的阶段，与按所述预定波形进行的波长扫描相关联的发光量的变化和所述逆波形的发光量的变化彼此抵消，以使得在所述光检测器的输出级平滑了与所述波长扫描相对应的输出变化。
2.根据权利要求1所述的气体浓度测量装置，其特征在于，使与扫描所述第一激光源的振荡波长相关联的发光量的变化表现为锯齿形，而使所述多个激光源中的前述另一激光源的发光量的变化表现为具有相反的变化方向的逆锯齿形。
3.根据权利要求1所述的气体浓度测量装置，其特征在于，还包括用于减少光量的光衰减器，所述光衰减器设置在所述多个激光源至少之一与位于所述测量单元之前的光混合器之间或者设置在所述测量单元与位于该测量单元之后的光混合器之间，以使得在所述光检测器的输出级平滑了与所述波长扫描相关联的输出变化。
4.根据权利要求2所述的气体浓度测量装置，其特征在于，还包括用于减少光量的光衰减器，所述光衰减器设置在所述多个激光源至少之一与位于所述测量单元之前的光混合器之间或者设置在所述测量单元与位于该测量单元之后的光混合器之间，以使得在所述光检测器的输出级平滑了与所述波长扫描相关联的输出变化。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的气体浓度测量装置，其特征在于，
所述多个激光源是各自具有可变波长的第一激光源和第二激光源这两个激光源；
所述激光驱动控制器向所述第二激光源提供驱动电流，从而以与前述预定的调制频率不同的第二调制频率对所述第二激光源的振荡波长进行调制，并且重复扫描包括第二目标成分的吸收波长的预定波长范围；以及
所述气体浓度测量装置还包括第二解调器，所述第二解调器用于通过相敏检测从利用所述光检测器获得的检测信号提取所述第二调制频率的基本分量或所述第二调制频率的谐波分量。
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