基于1654+nm分布反饋激光器的甲烷檢測系統

　　在煤炭的開采過程中 ，甲烷是一種能夠引起爆炸的有害氣體 ，檢測其濃度及變化率 ，對監測及預防煤礦爆炸事故具有重要的意義 。近年來 ，對甲烷氣體濃度檢測的研究呈逐年上升趨勢 。 相比于其他檢測方法 ，如電化學法［１］ 、 半導體法［２‐３］ 、催化燃燒法［４‐６］ ，光學檢測具有響應速度快 、靈敏度高 、非接觸性檢測 、選擇性強等優勢［７‐９］ ?？烧{諧半導體激光吸收光譜技術（TDLAS ）技術作為光學檢測方法的一種 ，利用半導體激光器可調諧 、窄線寬的特點 ，通過掃描待測氣體的單根吸收譜線實現氣體濃度的快速檢測 。相對于直接吸收光譜（DAS） ，波長調制光譜（WMS ）技術能夠進一步消除系統中的噪 聲 ， 提高 檢 測靈 敏 度 ，因 而 得 到 了 廣 泛 的 應用［１０‐１２］ 。近年 來 ， 中 紅 外 波 段 的 甲 烷 檢 測 研 究 屢 見 報道［１３‐１４］ ，其吸收能力較近紅外的泛頻帶強了兩個數量級 ，一些研究人員使用量子級聯激光器 ，在中紅外波段進行了甲烷檢測研究工作 ，濃度的檢測下限可以達到 １０ - ９ 量級［１５］ 。然而 ，使用分布反饋（DFB）激光器的近紅外甲烷檢測可通過光纖通信 ，結合開放式的光學探頭 ，可以實現長距離的實時檢測 ，這對于煤礦等危險的環境更具有實際意義 。采用 DFB 激光器進行甲烷氣體的檢測工作會受制于以下幾點 ：（１）激光器輸出光譜的穩定度 ；（２）有效吸收光程 ；（３）鎖相放大器的性能［１６］ 。在 ２０１４ 年 ，我們已經研制了一套近紅外甲烷檢測系統［１７］ ，激光器的溫度控制電路使用數字式比例‐積分‐微分（PID）控制算法進行控制 ，使用了需要氣泵的封閉性氣室 ，同時 ，研制了基于復雜可編程邏輯器件（CPLD）移相的模擬與數字混合式的鎖相放大器 。相較于之前的工作 ，本文的主要改善包括 ：首先 ，采用模擬 PID 算法對激光器進行溫度控制 ，在減少主控制器軟件開銷的同時提高了激光器溫度的穩定性 ，將溫度波動從 ± ０。 １ ℃ 抑制到 ± ０。 ０２ ℃ 。其次 ，采用了開放式的光學探頭用于提高有效光程 ，從 ２０ cm 提高到 ４０ cm ，并且不再需要氣泵 。同時 ，研發了高性能 、高性價比的正交鎖相放大器 ，其性能滿足實驗要求 。通過測試實驗 ，驗證了激光器驅動及系統的整體檢測性能 。