专利名称：一种基于vcsel的低功耗气体检测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤传感领域，尤其涉及一种基于VCSEL的低功耗气体检测装置及方法。
背景技术：
随着工农业生产技术的不断发展，及时准确的对多种气体进行监测已成为石油、化工、电力、煤矿安全等行业急需解决的重要问题。同时，随着人民生活水平的不断提高，人类对生态环境的要求也越来越高，迫切要求发展的同时注意保护环境，对环境进行监测治理。为此，研制气体传感器已成为当今传感领域的一个重要课题。出现在上世纪80年代的光纤气体检测技术是一种新型气体检测方法，它具有测量精度高、测量范围大、传输距离远、抗电磁干扰能力强、气体选择性好、使用寿命长等传统 气体检测方法不可比拟的优势。尤其是随着激光器技术的不断发展，激光气体传感器得到了较大的发展。多个专利中都有所提及。但是其所述的方法中，DFB激光器或者VCSEL激光器，需要精确的温度控制，其TEC控制器的功耗非常大，使得该类传感器的功耗普遍较大，尤其是仪器的启动电流非常大，有得甚至达到500mAs以上，致使该类传感器很难做到煤矿井下本安参数的要求，不利于和现有基站等矿用设备直接联机使用。这是阻止该类仪器在煤矿井下推广使用的一个致命缺点。中国专利“气体检测方法和气体检测装置”所述的方光谱吸收法测气体时光源需要精确控温，由于光源都是采取TEC控温，使得该测量方法实现起来功耗特别大。本申请去掉了 TEC降低了功耗，同时提供了参考通道，提高了测量的精度。

发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于VCSEL的低功耗气体检测装置及方法，它具有低功耗实现气体浓度检测的优点。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种基于VCSEL的低功耗气体检测装置，包括温度探测器件、VCSEL激光器、光路组件、光纤传感探头、参考探头、光电探测器和功率参考探测器件；所述光路组件包括分路器和耦合器；所述温度探测器件连接VCSEL激光器，所述VCSEL激光器连接光路组件的分路器，所述分路器连接第一耦合器的输入端和第二耦合器的输入端，所述第一耦合器的输出端连接光纤传感探头，所述第一耦合器的返回端连接第一光电探测器；所述第二耦合器的输出端连接参考探头和功率参考探测器件；所述参考探头连接第一光电探测器；所述功率参考探测器件是光电探测器，所述的VCSEL激光器发出的光经过光路组件进行隔离和分光后进入光纤传感探头、参考探头和功率参考探测器件。所述的VCSEL激光器是通过电流进行连续波长调制的激光器；所述VCSEL激光器采用不带温控模块的VCSEL激光器，在驱动电流一定的情况下，VCSEL激光器的波长和环境温度基本上成线性关系。
上述一种基于VCSEL的低功耗气体检测装置所采用的工作方法，包括以下几个工作步骤步骤(I):温度探测器件测得环境的温度；步骤(2):根据步骤(I)测得的环境温度值确定激光器发光的波长；步骤(3):根据步骤(2)确定的激光器的波长，确定出现在扫描区域内的吸收峰的波长;步骤(4) =VCSEL激光器产生光，所述光的波长与光强、驱动电流、环境温度成一定关系; 步骤(5) =VCSEL激光器发出的光经光路组件到光纤传感探头、参考探头和功率参考探测器件；步骤(5-1):光源发出的光在光纤传感探头中得到一定程度的吸收，吸收强度和环境中待测气体的浓度成一定的关系，光穿过光纤传感探头以后被第一光电探测器探测；步骤(5-2):光源发出的光在参考探头中得到固定的吸收，吸收的强度和参考气室内气体的浓度有关，光穿过参考探头以后被第二光电探测器探测；步骤(5-3):光源发出的光经分路器进入功率参考探测器件；步骤(6):把步骤(5-1)和步骤(5-2)中第一光电探测器和第二光电探测器得到的探测信号分别和步骤(5-3)功率参考探测器件测得的功率参考信号相除，消除因光源的功率变化对测量结果造成的影响；步骤(7):根据步骤(3)和步骤(6)确定吸收峰所在的整个扫描周期中的位置；步骤(8):参考步骤(6)得到的消除因光源的功率变化对测量结果造成影响的带有浓度信息的信号，参考步骤(7)中确定的吸收峰的位置，根据Beer-Lambert定律和参考探头中的浓度信号做比较，测得待测气体的浓度。本发明的有益效果I.所述VCSEL激光器不使用温度控制系统精确控制其波长，大大降低了传感器的功耗；使得其在井下大面积推广成为可能；2.所述VCSEL激光器通过一定范围内变化的电流驱动，能够使得光源的波长有很大的扫描范围。3.本发明所述的气体检测方法可同时检测环境温度，通过环境温度判断光源发光的大概波长，从而确定待测气体吸收峰的波长，实现待测气体浓度的检测。4.同时，通过测试环境温度还可以引入温度补偿，提高了测量的精度和可靠性。5.本发明所述的测量方法同时引入波长和功率参考，提高了测量的精度。6.在测量其他气体时只需更换VCSEL激光器，使其中心波长和待测气体的吸收峰波长相吻合即可实现多种气体的检测。该方法简单可靠，对光纤气体传感的发展有较大的推动作用。


图I低功耗气体检测原理简图；图2甲烷吸收信号图；图3甲烷吸收谱线图4乙炔吸收谱线图；图5 二氧化碳吸收谱线图；其中，I、VCSEL激光器，2、分路器,3、第一稱合器，4、光纤传感探头,5、第一光电探测器，6、第二耦合器，7、参考探头，8、第二光电探测器，9、第三光电探测器，10温度探测器件。
具体实施例方式现以甲烷为例，并配合检测的附图对本发明的具体实施方案做如下详述一种基于VCSEL的低功耗气体检测装置，包括温度探测器件10、VCSEL激光器I、光路组件、光纤传感探头4、参考探头7、光电探测器和功率参考探测器件；所述光路组件包括分路器2和耦合器；所述温度探测器件10连接VCSEL激光器1，所述VCSEL激光器I连接光路组件的分路器2，所述分路器2连接第一耦合器3的输入端和第二耦合器6的输入 端，所述第一耦合器3的输出端连接光纤传感探头4，所述第一耦合器3的返回端连接第一光电探测器5 ;所述第二耦合器6的输出端连接参考探头7和功率参考探测器件；所述参考探头7连接第一光电探测器5 ;所述功率参考探测器件是光电探测器，所述的VCSEL激光器I发出的光经过光路组件进行隔离和分光后进入光纤传感探头4、参考探头7和功率参考探测器件。所述的VCSEL激光器I是通过电流进行连续波长调制的激光器；所述VCSEL激光器I采用不带温控模块的VCSEL激光器1，在驱动电流一定的情况下，VCSEL激光器I的波长和环境温度基本上成线性关系。VCSEL激光器I的波长对温度和驱动电流敏感，其波长受温度调制的调制系数3 !较小，受电流调制的调制系数P2较大。本实施例采用频率固定的锯齿波驱动电流(一般是从阈值电流到最大驱动电流)对其波长进行较大范围的调制，但是VCSEL激光器I不含TEC温度控制器，环境温度的变化对其波长的变化有较大的影响，检测时通过环境温度大致判断光源波长的扫描范围，从而确定光源所扫描吸收峰的波长，再利用Beer-Lambert定律实现对气体浓度的测量。根据Beer-Lambert定律，当波长为X、初始光强为Itl(X)的光照射某种气体时，由于发生共振吸收，其初始光强ItlU)和出射光强1(入)之间满足关系1(入)=10(入)exp (- a CL)其中IQ(X)为系统的初始光强，IU)为系统的出射光强，a为被测气体吸收系数、该系数和环境温度、压力和光源的波长有关，C为被测气体浓度、L为被测气体探头吸收腔有效长度。考虑到光路等的损耗Beer-Lambert定律可修正为如下公式I(A) = KI0 (A) exp (- a CL) (I)其中K为损耗系数反解上式可得C = ln(KI0(A)/I(A))/aL (2)由上式可知，通过测量入射前后的光强和光程即可测得被测气体的浓度。由于系统的光程是一固定值，因此我们只需测量吸收前后光强的变化即可测得被测甲烷的浓度。
实际测量过程中，随着环境温度的变化，VCSEL激光器I发出的光的中心波长也在不断的变化。假设环境温度为25°C时，此时VCSEL激光器I的中心波长为X，在该波长附近甲烷气体的两个吸收峰对应的波长分别为^和X2，光源的驱动电流变化为Al，通过电流能够扫描的波长范围为A X1，环境温度变化为AT，环境温度引起的波长变化范围为A入T。若VCSEL激光器I的波长及变化满足A A j > A^A2-A (3)且波长受温度调制系数P :和受电流调制的调制系数P ,满足
^ AT ^ ⑷
^ Zaj !则在整个温度变化范围内，VCSEL激光器I总能扫到至少一个吸收峰，结合温度测试单元测得的环境温度值，即可确定不同环境下VCSEL激光器I扫描到的吸收峰对应的波长。所述第一光电探测器5、第二光电探测器8和第三光电探测器9均采用InGaAs光电探测器，其输出电流与光电探测器的光强成一定的线性关系，因此在光电探测电路中，经过运算放大器后所输出的电压信号与进入光电探测器的光强成线性关系。用功率参考通道得到的信号分别除以探测通道和波长参考通道所得的信号可得如图2所示的信号，该方法可去除由于光强的变化给测量结果带来的影响。通过参考通道的信号我们可得到吸收峰在整个扫描周期中的详细位置，如图2中曲线所示，位置确定后，通过微处理器对采集到的探测信号进行处理，根据Beer-Lambert定律我们即可得到待测甲烷气体的浓度。图3给出了甲烷的吸收谱线，由图3可知在1645. 5nm和1648. 2nm之间及1650. 9nm和1653. 7nm之间都可找到满足上述方法的VCSEL激光器1，即可以利用此方法实现甲烷浓度的检测。图4给出了乙块的吸收谱线，由图4可知1518. 2Inm和1519. 14nm、1519. 14nm和1520. 8nm之间或者其他两个相邻波长都可找到合适的VCSEL激光器I满足上述测量方法，实现乙炔气体的检测。图5给出了二氧化碳的吸收谱线，由图5可知1507. 77nm和1508. 21nm、1508. 2 Inm和1508. 66nm或者其他两个相邻波长之间都可找到合适的VCSEL激光器I满足上述测量方法,实现乙炔气体的检测。上述几个例子只是为了说明该方法举出的几个实例，并不是实现本发明所述方法的全部例子，在不同气体的只是吸收峰对应的波长不同，只需更换VCSEL激光器I即可采用类似的办法实现气体浓度的检测。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式
进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
权利要求
1.一种基于VCSEL的低功耗气体检测装置，其特征是，包括温度探测器件、VCSEL激光器、光路组件、光纤传感探头、参考探头、光电探测器和功率参考探测器件；所述光路组件包括分路器和耦合器；所述温度探测器件连接VCSEL激光器，所述VCSEL激光器连接光路组件的分路器，所述分路器连接第一耦合器的输入端和第二耦合器的输入端，所述第一耦合器的输出端连接光纤传感探头，所述第一耦合器的返回端连接第一光电探测器；所述第二耦合器的输出端连接参考探头和功率参考探测器件；所述参考探头连接第一光电探测器；所述功率参考探测器件是光电探测器，所述的VCSEL激光器发出的光经过光路组件进行隔离和分光后进入光纤传感探头、参考探头和功率参考探测器件。
2.如权利要求I所述的一种基于VCSEL的低功耗气体检测装置，其特征是，所述的VCSEL激光器是通过电流进行连续波长调制的激光器；所述VCSEL激光器采用不带温控模块的VCSEL激光器，在电流固定的情况下，VCSEL激光器的波长和环境温度基本上成线性关系O
3.如权利要求I所述的一种基于VCSEL的低功耗气体检测装置所采用的工作方法，包括以下几个工作步骤 步骤(I):温度探测器件测得环境的温度； 步骤(2):根据步骤(I)测得的环境温度值确定激光器发光的波长； 步骤(3):根据步骤(2)确定的激光器的波长，确定出现在扫描区域内的吸收峰的波长; 步骤(4) =VCSEL激光器产生光，所述光的波长与光强、驱动电流、环境温度成一定关系; 步骤(5) =VCSEL激光器发出的光经光路组件到光纤传感探头、参考探头和功率参考探测器件； 步骤(6):把步骤(5)中得到的两个探测信号分别和功率参考探测器件测得的功率参考信号相除，消除因光源的功率变化对测量结果造成的影响； 步骤(7):根据步骤(3)和步骤(6)确定吸收峰所在的整个扫描周期中的位置； 步骤(8):参考步骤(6)得到的消除因光源的功率变化对测量结果造成影响的带有浓度信息的信号，参考步骤(7)中确定的吸收峰的位置，根据Beer-Lambert定律和参考探头中的浓度信号做比较，测得待测气体的浓度。
4.如权利要求3所述的一种基于VCSEL的低功耗气体检测方法，其特征是，所述步骤(5)分为以下具体步骤 步骤(5-1):光源发出的光在光纤传感探头中得到一定程度的吸收，吸收强度和环境中待测气体的浓度成一定的关系，光穿过光纤传感探头以后被第一光电探测器探测； 步骤(5-2):光源发出的光在参考探头中得到固定的吸收，吸收的强度和参考气室内气体的浓度有关，光穿过参考探头以后被第二光电探测器探测； 步骤(5-3):光源发出的光经分路器进入功率参考探测器件。
全文摘要
本发明公开了一种基于VCSEL的低功耗气体检测装置及方法，微处理器控制锯齿波电流驱动电路驱动VCSEL激光器产生步骤一中指定的波长的光；VCSEL激光器发出的光经光路到光纤传感探头和参考气室；带有浓度信息的光信号进入光电转换电路，经过光电转换电路的转换后，光信号转换为相应的模拟电压信号，该模拟电压信号经过A/D转换电路把模拟电压信号转换为微处理器能够识别的数字电压信号，同时温度测量电路把所测量的环境温度值传输给微处理器，微处理器得到在给定的驱动电流情况下VCSEL激光器所发出光的波长，微处理器根据Beer-Lambert定律，计算得出现场的气体浓度信号。本发明具有低功耗实现气体浓度检测的优点。
文档编号G01N21/39GK102967580SQ201210445860
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月9日 优先权日2012年11月9日
发明者李艳芳, 刘统玉, 魏玉宾, 王昌, 赵燕杰, 张婷婷, 赵维凇 申请人:山东微感光电子有限公司