基于TDLAS气体检测系统中光源波长锁定的关键技术研究

摘要

硫化氢是一种剧毒气体，不仅对油井设备有极大的破坏作用，还会威胁人类的生命安全，因此对硫化氢气体进行高精度、快速、实时监测有着重要意义。由于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)具有无需要预采样、检测灵敏度高、选择性好、响应速度快等特点，使其成为气体检测的理想方法之一。
　　 在基于TDLAS技术的气体检测系统中，核心部件--半导体激光器的工作波长的稳定程度直接影响气体检测的精度与稳定性，因此需要对选用的DFB激光器进行波长锁定，使之与被测气体吸收峰相匹配。根据DFB激光器波长易受注入电流和温度影响的特点，本文通过控制其工作温度实现对波长粗调、控制电流实现对波长细调的方法来锁定波长。
　　 本文完成的工作主要有以下几个方面：以朗伯-比尔定律为基础，结合气体选择性吸收理论和谱线线型等基本理论，介绍了TDLAS技术应用于气体浓度检测的基本原理，分析了基于波长调制的谐波检测理论，设计了气体检测系统的总体方案。针对系统的核心部件--半导体激光器，重点分析了温度及电流对其工作状态的影响，设计了锁定半导体激光器波长的方案。具体实现包括：用FPGA产生用于频谱扫描的三角波和结合DDS原理产生用于调制的正弦波，并搭建了激光器驱动电路。同时，为保证激光器的输出波长稳定，还需要对其内部温度进行控制。本文利用PID原理，结合半导体致冷器(TEC)的工作原理，设计并搭建了以激光器内部热敏电阻和TEC为主要部件的内部温度控制电路。最后本文设计了系统的测试方案，主要测试对象除了电流稳定性、温度稳定性外，还包括LD的综合工作情况。实验结果表明：半导体激光器波长的波动范围在±1pm，满足气体检测系统的要求。
　　 本文通过实验证明了半导体激光器波长锁定方案的可行性，有利于进一步提高气体检测系统的性能。