一種基于crds氣體濃度測量系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及CRDS測量系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于CRDS氣體濃度測量系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在一個完整的CRDS測量系統(tǒng)中，應(yīng)包含以下幾個系統(tǒng)，激光器穩(wěn)頻系統(tǒng)、腔長鎖定即調(diào)節(jié)系統(tǒng)、衰蕩事件發(fā)生系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、探測系統(tǒng)以及測量顯示系統(tǒng)。相互間的關(guān)系如圖1所示，系統(tǒng)包括:一個可調(diào)諧單頻的光源I，在光路中連有一個衰蕩諧振腔20，樣品探測電子學系統(tǒng)30，指示電子學系統(tǒng)40，鎖定電子學系統(tǒng)50與諧振腔之間為光學連接。鎖定系統(tǒng)在諧振腔與激光器之間的連接為電子學連接。指示電子學系統(tǒng)50與樣品探測間是電子學連接。
[0003]傳統(tǒng)的脈沖CRDS測量系統(tǒng)中，激光器通常采用脈沖式半導(dǎo)體激光器，數(shù)據(jù)獲得率受限于激光器的脈沖頻率。此外，由于脈沖激光器的激光頻率與腔固有光譜頻率重合部分較小，受脈沖激光器的脈沖頻率的影響，耦合進諧振腔的并在腔內(nèi)建立起來的穩(wěn)定光強的也會較小。
[0004]傳統(tǒng)的CRDS光譜測量系統(tǒng)中，并且沒有一種高效和穩(wěn)定控制的基于CRDS氣體濃度測量系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)問題，提供一種基于CRDS氣體濃度測量系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下:
[0007]一種基于CRDS氣體濃度測量系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，包括:
[0008]波長控制系統(tǒng)，其可通過調(diào)節(jié)激光器的溫度來達到與輸入信號接近的波長值；
[0009]時序控制系統(tǒng)，包括:比較器接收從腔光強探測器的出射信號，通過比較器來判斷腔內(nèi)光強是否達到設(shè)定的閾值；比較器判斷腔內(nèi)光強是否達到閾值連接觸發(fā)器發(fā)射信號；當腔內(nèi)光強達到預(yù)定值時，開關(guān)觸發(fā)器發(fā)出信號，接下來將關(guān)斷激光器的光源開始記錄衰蕩事件；延時觸發(fā)器發(fā)射信號關(guān)斷激光器注入電流，同時向波長控制器發(fā)射信號表示激光器關(guān)斷并在一定的延時期間內(nèi)保持關(guān)斷；同時也向數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)發(fā)射信號開始記錄衰蕩事件；開關(guān)觸發(fā)器向發(fā)射信號的同時腔長控制系統(tǒng)發(fā)射信號在示蹤和掃描模式系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換；
[0010]中心控制模塊，其可以設(shè)定DFB激光器的工作溫度和注入電流值；掃描激光波長或無源腔腔長，由此實現(xiàn)激光與無源腔基模之間的共振；進行光譜掃描，以完成對腔內(nèi)介質(zhì)的光譜測量；監(jiān)控其它各模塊輸出參數(shù)并協(xié)調(diào)各模塊工作。
[0011 ] 在上述技術(shù)方案中，激光器具有溫度電流調(diào)諧作用，通過持續(xù)監(jiān)測溫度以及查表的方式，獲得適當?shù)臏囟入娏髦凳沟眉す馄黝l率為正確的值。
[0012]在上述技術(shù)方案中，激光器為DFB激光器。
[0013]在上述技術(shù)方案中，諧振腔諧振頻率的調(diào)制為通過調(diào)節(jié)諧振腔腔鏡間距離，這個過程由安裝在諧振腔一端腔鏡的PZT完成，該三角形環(huán)形腔安裝在球面鏡處。
[0014]在上述技術(shù)方案中，腔長控制系統(tǒng)有不蹤模式和掃描模式兩個工作模式。
[0015]在上述技術(shù)方案中，激光器的關(guān)斷通過調(diào)節(jié)電流使得激光器的諧振頻率偏離目標值，激光器的時間為衰蕩時間的5到6倍。
[0016]本發(fā)明具有以下的有益效果:
[0017]本發(fā)明的基于CRDS氣體濃度測量系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)激光器的波長在幾百為秒內(nèi)穩(wěn)定控制。
【附圖說明】
[0018]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0019]圖1是CRDS測量系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。
[0020]圖2是連續(xù)可調(diào)諧CRDS測量系統(tǒng)的中心控制系統(tǒng)示意圖。
[0021]圖3是連續(xù)可調(diào)諧CRDS測量系統(tǒng)的波長控制系統(tǒng)示意圖。
[0022]圖4是連續(xù)可調(diào)諧CRDS測量系統(tǒng)的時序控制示意圖。
【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明的發(fā)明思想為:
[0024]連續(xù)腔震衰減光譜吸收測量系統(tǒng)，應(yīng)包括以下的組成部分:
[0025]I)高反射率光學無源腔，可由至少兩面高反射率鏡子組成；
[0026]2)可調(diào)諧激光光源，理想的激光器為分布反饋式可調(diào)半導(dǎo)體激光器(DFB)，通過腔長調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使得諧振腔的諧振頻率在待測吸收氣體的適當吸收頻率范圍內(nèi)變化，再通過調(diào)諧激光器的溫度電流調(diào)諧作用使得激光器與諧振腔保持諧振，這樣激光器出射頻率、諧振腔諧振頻率和待測氣體吸收頻率，三者一致。
[0027]3)在目前發(fā)明的控制系統(tǒng)中，溫度和電流的調(diào)節(jié)使得激光器的波長穩(wěn)定在1MHz的范圍內(nèi)，實現(xiàn)該目的需要在測量系統(tǒng)中增加較高精度的波長監(jiān)測器，在測量系統(tǒng)中與激光器形成控制閉環(huán)，在這樣的控制系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)激光器的波長在幾百為秒內(nèi)穩(wěn)定。
[0028]本發(fā)明給出具有以上設(shè)計的CRDS光譜測量技術(shù)的測量控制系統(tǒng)，還包括以下幾個具體的控制方案，分別為:
[0029]本發(fā)明給出了適用于連續(xù)CRDS光譜測量技術(shù)的可調(diào)諧激光光源的關(guān)斷方法。在本發(fā)明中，需使得激光器的光源頻率范圍涵蓋一個以上的腔模式范圍，這樣滿足對不同的頻率處的衰蕩事件進行測量，在測量時使其在兩個相鄰腔模式區(qū)域間相互轉(zhuǎn)換，只有其中一個腔模式區(qū)域頻率涵蓋待測氣體吸收范圍，這樣可以測得有待測氣體的衰蕩時間和沒有待測氣體的衰蕩時間的基線測量。本發(fā)明中使用DFB激光器，因DFB激光器具備的電流調(diào)制功能。由于DFB激光器的輸出功率與其注入電流密切相關(guān)，因此可通過電流調(diào)制來實現(xiàn)激光的開關(guān)。這種特殊的光開關(guān)方式，可以通過對電信號的高速調(diào)制來實現(xiàn)光的高速開關(guān)，從而節(jié)省昂貴的電光或聲光開關(guān)，并完全消除常規(guī)系統(tǒng)中光開關(guān)器件對系統(tǒng)可能造成的影響。
[0030]本發(fā)明給出了相對應(yīng)的激光光源控制流程。因激光器性能由溫度、電流共同控制。在激光器關(guān)斷期間結(jié)束的時刻，通過調(diào)節(jié)激光器溫度到適當?shù)臏囟戎?，此時激光器進入穩(wěn)定調(diào)整期，最后激光器輻射頻率達到穩(wěn)定的接近目標值的狀態(tài)，進一步通過調(diào)節(jié)電流使得激光器輻射頻率精確地滿足與無源腔耦合的條件。即當探測得到腔內(nèi)光強激增的情況為二者滿足耦合情況。穩(wěn)頻電路接受控制源信號調(diào)節(jié)激光器頻率精確的達到目標值，進而控制無源腔內(nèi)的衰蕩事件的發(fā)生或阻止，在該過程中還包括無源腔探測信號的反饋過程。誤差分析信號源通過波長監(jiān)測器對激光輸出頻率與頻率期望值進行比較，將得到的差值對激光器的控制電流進行調(diào)節(jié)，來調(diào)節(jié)激光器的輸出頻率，經(jīng)過這樣的反復(fù)調(diào)節(jié)使得誤差分析器的波長差值小于10MHz，這樣激光器的穩(wěn)定性控制受波長監(jiān)測器的性能的影響。
[0031]需要說明的是，在本發(fā)明中腔長的調(diào)節(jié)有兩個調(diào)節(jié)模式，分別為掃描模式和示蹤模式，具體的轉(zhuǎn)換過程為，在對同一個頻率點進行多次測量時，因為激光器的電流存在關(guān)斷后開啟的動作，即是每次對同一頻率點的波長進行鎖定，仍然存在激光器的出射頻率不能準確復(fù)現(xiàn)的問題，所以對每次測量是都存在尋找諧振腔長的問題，但是對于同一頻率點進行測量時PZT需要調(diào)整的范圍較小，變?yōu)樾》秶哳l調(diào)節(jié)可以縮短測量的周期，提高數(shù)據(jù)獲得效率，頻率在幾十KHZ范圍，該模式稱為示蹤模式，所謂示蹤模式，如前所述就是腔長變化范圍較小，使得腔頻率較快的找到與激光器對應(yīng)的諧振頻率。當需要對另一頻率點進行測量時