基于1654+nm分布反馈激光器的甲烷检测系统

　　在煤炭的开采过程中 ，甲烷是一种能够引起爆炸的有害气体 ，检测其浓度及变化率 ，对监测及预防煤矿爆炸事故具有重要的意义 。近年来 ，对甲烷气体浓度检测的研究呈逐年上升趋势 。 相比于其他检测方法 ，如电化学法［１］ 、 半导体法［２‐３］ 、催化燃烧法［４‐６］ ，光学检测具有响应速度快 、灵敏度高 、非接触性检测 、选择性强等优势［７‐９］ 。可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS ）技术作为光学检测方法的一种 ，利用半导体激光器可调谐 、窄线宽的特点 ，通过扫描待测气体的单根吸收谱线实现气体浓度的快速检测 。相对于直接吸收光谱（DAS） ，波长调制光谱（WMS ）技术能够进一步消除系统中的噪 声 ， 提高 检 测灵 敏 度 ，因 而 得 到 了 广 泛 的 应用［１０‐１２］ 。近年 来 ， 中 红 外 波 段 的 甲 烷 检 测 研 究 屡 见 报道［１３‐１４］ ，其吸收能力较近红外的泛频带强了两个数量级 ，一些研究人员使用量子级联激光器 ，在中红外波段进行了甲烷检测研究工作 ，浓度的检测下限可以达到 １０ - ９ 量级［１５］ 。然而 ，使用分布反馈（DFB）激光器的近红外甲烷检测可通过光纤通信 ，结合开放式的光学探头 ，可以实现长距离的实时检测 ，这对于煤矿等危险的环境更具有实际意义 。采用 DFB 激光器进行甲烷气体的检测工作会受制于以下几点 ：（１）激光器输出光谱的稳定度 ；（２）有效吸收光程 ；（３）锁相放大器的性能［１６］ 。在 ２０１４ 年 ，我们已经研制了一套近红外甲烷检测系统［１７］ ，激光器的温度控制电路使用数字式比例‐积分‐微分（PID）控制算法进行控制 ，使用了需要气泵的封闭性气室 ，同时 ，研制了基于复杂可编程逻辑器件（CPLD）移相的模拟与数字混合式的锁相放大器 。相较于之前的工作 ，本文的主要改善包括 ：首先 ，采用模拟 PID 算法对激光器进行温度控制 ，在减少主控制器软件开销的同时提高了激光器温度的稳定性 ，将温度波动从 ± ０。 １ ℃ 抑制到 ± ０。 ０２ ℃ 。其次 ，采用了开放式的光学探头用于提高有效光程 ，从 ２０ cm 提高到 ４０ cm ，并且不再需要气泵 。同时 ，研发了高性能 、高性价比的正交锁相放大器 ，其性能满足实验要求 。通过测试实验 ，验证了激光器驱动及系统的整体检测性能 。