專利名稱：多光纖通道激光紅外氣體傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種紅外氣體傳感器，具體涉及一種多光纖通道的激光紅外氣體傳感器。
背景技術：
在石化行業(yè)、礦產開發(fā)中往往存在一氧化碳、烷類、烯類和炔類等易燃氣體以及 苯、醛、酮等有機蒸汽，它們易燃易爆，對生產安全和環(huán)境保護都造成巨大威脅，須對其進行 嚴密、實時的監(jiān)控。檢測可燃性氣體的傳感器主要有催化燃燒和紅外吸收式兩種類型。催 化燃燒式傳感器設計與制造相對容易，價格較低。但它有以下嚴重缺陷反應需要有氧氣 參加，即被檢測環(huán)境中的氧氣含量不能太低，當氧氣含量低于16%時它的檢測值就會偏低； 環(huán)境中存在含硅、氯、硫等的化合物時，傳感器會發(fā)生中毒現(xiàn)象，靈敏度嚴重降低甚至完全 失效；只能檢測低可燃氣濃度，氣體濃度過高或長時間接觸低濃度氣體都會造成傳感器的 靈敏度大幅度下降或損壞；探測速度較慢，延時明顯；穩(wěn)定性差，每隔幾個月就需要重新校 正。在石化這種安全要求極高的行業(yè)，這些缺陷將帶來嚴重的隱患。與催化燃燒式傳感器 相比，紅外吸收式具有選擇性好、測量范圍寬、不中毒、不依賴于氧氣、壽命長等顯著優(yōu)點， 是高性能氣體傳感器的主流發(fā)展方向。在紅外吸收氣體傳感器的家族中，性能最卓越的是激光紅外氣體傳感器。該技術 利用半導體激光器作為紅外光源，利用高性能的紅外探測器進行信號探測。它具備傳統(tǒng)紅 外吸收氣體傳感器的一切優(yōu)點，同時也具備一系列獨特的優(yōu)勢，包括測量靈敏度高、覆蓋氣 體種類多、響應時間快、輕便小巧等。但是一般激光紅外氣體傳感器并不適合用以可燃氣體 監(jiān)測，其原因在于，其所用紅外光源為量子級聯(lián)激光器，工作電流很大，發(fā)熱很強，需要利用 半導體熱電制冷器來制冷和穩(wěn)定溫度，萬一制冷器失靈或傳感器排熱不及時，可能引燃易 燃易爆氣體，導致災難性后果發(fā)生。
發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種多光纖通道激光紅外氣體傳感器，氣體傳 感器的紅外激光器、探測器、人機界面和氣體吸收部分分離，中間由光纖連接。利用光纖將 激光器所發(fā)出的紅外激光傳送至待測點，光纖發(fā)射頭所發(fā)出的紅外激光經待測氣體吸收之 后由另外一束光纖收集，并且傳回紅外探測器，隨后由信號采集和處理系統(tǒng)進行處理，最終 獲取待測氣體的種類和濃度信息。為了解決以上技術問題，本發(fā)明提供了一種多光纖通道激光紅外氣體傳感器，包 括一個電路和人機交換模塊，用于電源管理，系統(tǒng)控制，信號的鎖相放大、采集、儲 存、分析與讀取，及人機交互；至少一個半導體熱電制冷器，與所述電路和人機交換模塊連接，用于實現(xiàn)溫度控 制；
一個激光器，固定在所述半導體熱電制冷器上并與所述電路和人機交換模塊連 接，用于發(fā)射紅外激光；至少一個紅外探測器，固定在所述半導體熱電制冷器上并與所述電路和人機交換 模塊連接，用于接收紅外激光；光纖探頭，通過光纖與所述激光器和所述紅外探測器連接，用于探測多個氣體待 測點。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點1.發(fā)明的光纖探頭激光紅外氣體傳感器利用光纖將激光器所發(fā)出的紅外激光傳 送至氣體測量點，光纖發(fā)射頭所發(fā)出的紅外激光經待測氣體吸收之后由另外一束光纖收 集，并且傳回至紅外探測器。這一措施有兩個好處一、可以探測遠處或者角落的氣體，例 如礦井深處；二、氣體傳感器的激光器和電路部分遠離所探測的氣體，在探測易燃易爆氣體 時，不會因為激光器的發(fā)熱或者電路中的電火花而引燃引爆氣體。2.本發(fā)明的光纖探頭激光紅外氣體傳感器可同時連接多個光纖探頭，同時探測多 個氣體測量點，提高了集成度，降低了成本。激光紅外氣體傳感器的關鍵部分是量子級聯(lián)激 光器，其價格很高，目前可調諧量子級聯(lián)激光器的單價為1萬美元左右。在我們的發(fā)明中， 多個氣體測量通道共享同一個量子級聯(lián)激光器，及控制、信號采集、人機交互等部分，每一 個氣體測量通道的成本因此大大降低。3.本發(fā)明的光纖探頭激光紅外氣體傳感器工作波段為中紅外波段(3至12微 米)，在這一波長區(qū)域內，絕大多數(shù)非極性分子分子都有著特征性吸收峰，屬于本征吸收，其 吸收強大遠高于近紅外波段，探測靈敏度高，可辨識性好。4.室溫下工作。通常的高性能紅外吸收型氣體傳感設備都需要利用液氮制冷，致 使設備昂貴笨重，操作不便。我們的產品所用光源為量子級聯(lián)激光器，光強很高，而所用探 測器在室溫下就具備很高的吸收系數(shù)，故而系統(tǒng)在室溫下就可以正常工作，無需液氮制冷。5.掃描時間快，為1秒鐘以下。覺得掃描速度的主要因素是量子級聯(lián)激光器的調 諧速度和量子阱紅外探測器的響應速度，我們所用到的量子級聯(lián)激光器可通過電流調諧， 其速度很快，全光譜掃描所需時間僅為幾毫秒，而量子阱紅外探測器是中遠紅外波段響應 速度最快的探測器，響應頻率可達數(shù)十(GHz)。綜合起來，本發(fā)明能夠在很短的時間內完成 數(shù)千次重復掃描，大大提高探測精度。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。圖1是本發(fā)明的多光纖通道(以兩個光纖探頭為例)激光紅外氣體傳感器結構示 意圖；圖2是本發(fā)明的氣體探頭。圖中的附圖標記為1、電路和人機交換模塊；2、第一半導體熱電制冷器；3、量子 級聯(lián)激光器；4、透鏡光纖(第一光纖)；5、光纖耦合器；6、第二光纖；7、第一氣體探頭；8、第 三光纖；9、第二半導體熱電制冷器；10、第一量子阱紅外探測器；11、第四光纖；12、第二氣 體探頭；13、第五光纖；14、第三半導體熱電制冷器；15、第二量子阱紅外探測器；16、探頭殼 體；17、第一光纖口 ；18、第二光纖口 ；19、反射鏡；20、透氣防塵膜。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明的多光纖通道(以兩個光纖通道為例)激光紅外氣體傳感器， 包括電路和人機交換模塊1，用于電源管理，系統(tǒng)控制，信號的鎖相放大、采集、儲存、分析 與讀取，及人機交互；第一半導體熱電制冷器2，與電路和人機交換模塊1連接，用于實現(xiàn)溫 度控制；量子級聯(lián)激光器3，固定在第一半導體熱電制冷器2上并與電路和人機交換模塊1 連接，用于發(fā)射紅外激光；透鏡光纖4 (第一光纖)，靠近量子級聯(lián)激光器發(fā)光端，用以將量 子級聯(lián)激光器所發(fā)出的紅外光準直并且導入光纖；光纖耦合器5，連接透鏡光纖4，將激光 由一條光纖中分至多條光纖(本實施例為光纖6和光纖11)；光纖6，將紅外激光傳送至第 一氣體探頭7 ；光纖8，將紅外激光傳送回第一量子阱紅外探測器10 ；第二半導體熱電制冷 器9，與電路和人機交換模塊1相連，用以給第一量子阱紅外探測器10制冷；第一量子阱紅 外探測器10，與電路和人機交換模塊1相連，用以探測紅外激光信號；光纖11，將紅外激光 傳送至第一氣體探頭12 ；光纖13，將紅外激光傳送回第一量子阱紅外探測器15 ；第三半導 體熱電制冷器14，用以給第二量子阱紅外探測器15制冷；第二量子阱紅外探測器15，與電 路和人機交換模塊1相連，用以探測紅外激光信號。如圖2所示，本發(fā)明的多光纖通道激光紅外氣體傳感器的氣體探頭，包括探頭殼 體，上面有多個孔洞21以供待測氣體進出；在探頭殼體外覆蓋有防塵透氣膜20 ；在探頭殼 體一端有第一光纖口 17，是光纖6進入氣體探頭的端口，以及第二光纖口 18，是光纖8進入 氣體探頭的端口 ；在探頭殼體另外一端有一個反射鏡19。工作時，光纖6所發(fā)出的紅外激 光，經反射鏡面19反射，隨后進入光纖8。在此過程中，紅外激光兩次穿越氣體探頭殼體內 的空間，為待測氣體所吸收。本發(fā)明的量子級聯(lián)激光器由砷化鎵材料制備，波長范圍在3到12微米。可以為分 布反饋式量子級聯(lián)激光器或外腔式量子級聯(lián)激光器。本發(fā)明的傳感器所用的激光器為量子級聯(lián)激光器。傳統(tǒng)的半導體激光器的激射波 長由半導體材料的導帶和價帶之間的帶隙大小決定，而量子級聯(lián)激光器的激射波長與半導 體材料帶隙無關，其工作原理與通常的半導體激光器截然不同，利用了導帶中的子帶間躍 遷。它的問世是中遠紅外波段半導體激光器研制的一個突破性進展，具備輸出功率大，可室 溫工作，波長調諧范圍廣，調諧精度高等優(yōu)點。傳感器所用紅外探測器是室溫高吸收量子阱紅外探測器。目前人們所用探測器為 InSb, DTGS和HgCdTe，與它們相比，量子阱紅外探測器具備響應速度快、探測率高、探測波 長可通過量子阱參數(shù)的調整加以控制等優(yōu)點。此外，量子阱紅外探測器基于成熟的砷化鎵 材料，可以利用標準的半導體生長(分數(shù)束外延和金屬有機化學氣相沉積)和制程(光刻 等)工藝來生長制備，材料均勻性好、成品率高、成本低廉等優(yōu)點。它工作于室溫或者準室 溫狀態(tài)，在室溫或者準室溫下的探測率可達到或者接近理論極限值，正常工作下吸收系數(shù) 在90%以上，響應速度高，極其適合于氣體分析。
權利要求
一種多光纖通道激光紅外氣體傳感器，其特征在于，包括一個電路和人機交換模塊，用于電源管理，系統(tǒng)控制，信號的鎖相放大、采集、儲存、分析與讀取，及人機交互；至少一個半導體熱電制冷器，與所述電路和人機交換模塊連接，用于實現(xiàn)溫度控制；一個激光器，固定在所述半導體熱電制冷器上并與所述電路和人機交換模塊連接，用于發(fā)射紅外激光；至少一個紅外探測器，固定在所述半導體熱電制冷器上并與所述電路和人機交換模塊連接，用于接收紅外激光；光纖探頭，通過光纖與所述激光器和所述紅外探測器連接，用于探測多個氣體待測點。
2.如權利要求1所述的多光纖通道激光紅外氣體傳感器，其特征在于，所述的激光器 為量子級聯(lián)激光器，所述的紅外探測器為量子阱紅外探測器。
3.如權利要求2所述的多光纖通道激光紅外氣體傳感器，其特征在于，所述的量子級 聯(lián)激光器由砷化鎵材料制備，波長范圍在3到12微米。
4.如權利要求2所述的多光纖通道激光紅外氣體傳感器，其特征在于，所述的量子級 聯(lián)激光器為分布反饋式量子級聯(lián)激光器或外腔式量子級聯(lián)激光器。
5.如權利要求1所述的多光纖通道激光紅外氣體傳感器，其特征在于，所述多光纖通 道激光紅外氣體傳感器還包括一個光纖耦合器，一端通過透鏡光纖與所述激光器發(fā)射端連 接，另一端通過光纖與所述光纖探頭連接，用于將激光由一條光纖分至多條光纖。
6.如權利要求1所述的多光纖通道激光紅外氣體傳感器，其特征在于，所述光纖探頭 包括一個探頭殼體，所述探頭殼體上面有多個孔洞以供待測氣體進出。
7.如權利要求6所述的多光纖通道激光紅外氣體傳感器，其特征在于，在所述探頭殼 體外覆蓋有防塵透氣膜。
8.如權利要求6所述的多光纖通道激光紅外氣體傳感器，其特征在于，在所述探頭殼 體上具有一個光纖進口和一個光纖出口，所述探頭殼體內設有一個反光鏡，用于將從所述 光纖進口處射入的激光反射到所述光纖出口處的光纖內。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多光纖通道激光紅外氣體傳感器，包括一個電路和人機交換模塊，用于電源管理，系統(tǒng)控制，信號的鎖相放大、采集、儲存、分析與讀取，及人機交互；至少一個半導體熱電制冷器，與電路和人機交換模塊連接，用于實現(xiàn)溫度控制；一個激光器，固定在半導體熱電制冷器上并與電路和人機交換模塊連接，用于發(fā)射紅外激光；至少一個紅外探測器，固定在半導體熱電制冷器上并與電路和人機交換模塊連接，用于接收紅外激光；光纖探頭，通過光纖與激光器和所述紅外探測器連接，用于探測多個氣體待測點。本發(fā)明可以探測遠處或者角落的氣體，更加安全，且可同時探測多個氣體測量點，提高了集成度，降低了成本。
文檔編號G01N21/35GK101819142SQ20101016957
公開日2010年9月1日 申請日期2010年5月7日 優(yōu)先權日2010年5月7日
發(fā)明者劉惠春, 楊耀 申請人:無錫沃浦光電傳感科技有限公司