一种基于TDLAS的激光呼气分析仪及系统

摘要

本发明提供了一种基于TDLAS的激光呼气分析仪及系统，该激光呼气分析仪包括可调谐半导体激光器、气体吸收容器、激光接收单元、处理控制单元，所述气体吸收容器设有进气孔和出气孔，所述可调谐半导体激光器发出的激光经过所述气体吸收容器后被所述激光接收单元接收，所述激光接收单元与所述处理控制单元相连，所述激光接收单元用于将接收到的光信号转换为电信号并将该电信号传输给所述处理控制单元，所述处理控制单元根据接收到的电信号分析气体浓度。本发明的有益效果是：本发明的检测精度高，速度快；便携性好，体积小、可充电、能带到任何地方进行检测；可与手机通过软件相连实时了解状况，并可保存历史数据。

说明书

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，尤其涉及一种基于TDLAS的激光呼气分析仪及系统。

背景技术

随着时代的进步，科学技术的发明，医疗诊断水平也在不断提高，目前通过测量人体呼出气体中CO、CO2、12CO2/13CO2、NO、N2O、H2O、NH3、C2H6等气体的浓度，实现对人体肠胃、肝脏、肺部、呼吸道、血液等器官和组织的快速诊断。

目前检测人体呼出气体的方法有：

1.光谱分析法：是利用被测物质对特定波长光源的吸收、发射、散射作用后通过光谱分析测定气体浓度的方法，光源包括紫外线、可见光、红外线、微波、放射波等。其中1）紫外-可见吸收光谱法：采用发射波长在200-400nm的紫外光源，或者发射波长在400-800nm的可见光源；2）红外吸收光谱法：红外光源在800nm-1000μm之间，采用技术包括NDIR（非分光红外气体分析），FTIR（傅里叶变换红外光谱）。

2.电学分析法：是利用各种气敏电学传感器与被测物质发生物理化学作用后引起电流、电压、电阻等电参数发生变化的测量气体浓度的方法，传感器一般包括半导体气体传感器、电解质气体传感器等。

上述技术的缺点如下：

1.紫外-可见吸收光谱法：在这个波长范围内能检测的气体种类非常有限，而且吸收强度不高，检测精度有限，不太适合要求高精度的呼气分析。

2. 红外吸收光谱法：红外光源波长范围比较宽，几乎所有气体在这个范围都有吸收，也是目前大部分气体分析仪器所采用的技术，但由于红外光源的光谱线宽大，一般大于特定气体的吸收谱线宽度，造成吸收交叉干扰，不能真实反映被测气体的吸收。NDIR技术，采用普通红外光源和直接吸收的方法，对特定气体的选择性差，在计算被测气体吸收时会受到其它气体的吸收干扰，误差比较大；FTIR技术，设计复杂，体积大，且有运动部件，对环境振动敏感。

3. 电学分析法：缺点1）电化学感应器有一个固定的暴露能力范围，在这个范围内检测性能可靠，而超过检测范围的使用会影响它的准确性；2）被测气体交叉影响，因为电学传感器一般采用氧化还原反应产生电流的原理，这一反应过程对很多气体是很普通的，这就产生了交叉干扰，影响被检测气体的实际含量；3）响应速度慢，分析费时，操作繁琐；4）长期稳定性差，寿命短（2年左右），容易失效。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于TDLAS的激光呼气分析仪。

本发明提供了一种基于TDLAS的激光呼气分析仪，包括可调谐半导体激光器、气体吸收容器、激光接收单元、处理控制单元，所述气体吸收容器设有进气孔和出气孔，所述可调谐半导体激光器发出的激光经过所述气体吸收容器后被所述激光接收单元接收，所述激光接收单元与所述处理控制单元相连，所述激光接收单元用于将接收到的光信号转换为电信号并将该电信号传输给所述处理控制单元，所述处理控制单元根据接收到的电信号分析气体浓度。

作为本发明的进一步改进，所述处理控制单元与所述可调谐半导体激光器相连，所述处理控制单元用于控制所述可调谐半导体激光器进行工作。

作为本发明的进一步改进，该激光呼气分析仪还包括电流控制模块，所述处理控制单元与所述电流控制模块输入端相连，所述电流控制模块输出端与所述可调谐半导体激光器相连。

作为本发明的进一步改进，所述激光接收单元包括光电探测器，所述光电探测器用于将接收到的光信号转换为电信号，所述光电探测器与所述处理控制单元相连。

作为本发明的进一步改进，所述激光接收单元还包括锁相放大模块，所述光电探测器输出端与所述锁相放大模块输入端相连，所述锁相放大模块输出端与所述处理控制单元相连。

作为本发明的进一步改进，所述激光接收单元还包括前置放大模块、带通滤波模块，所述光电探测器输出端与所述前置放大模块输入端相连，所述前置放大模块输出端与所述带通滤波模块输入端相连，所述带通滤波模块输出端与所述锁相放大模块输入端相连。

作为本发明的进一步改进，该激光呼气分析仪还包括温度控制模块，所述温度控制模块与所述可调谐半导体激光器相连。

作为本发明的进一步改进，该激光呼气分析仪还包括加法器、以及与所述加法器输入端分别相连的三角波发生模块、直流量发生模块、高频余弦调制信息模块，所述加法器输出端与所述可调谐半导体激光器相连。

作为本发明的进一步改进，所述处理控制单元包括模数转换模块、以及与所述模数转换模块相连的分析模块，所述模数转换模块用于将输入的模块信号转换为数字信号、并将该数字信号输入至所述分析模块，所述分析模块用于计算气体浓度。

本发明还公开了一种包括所述激光呼气分析仪的系统，该系统还包括终端设备，所述处理控制单元通过有无或无线方式将气体浓度数据传输至终端设备。

本发明的有益效果是：本发明的检测精度高，速度快；便携性好，体积小、可充电、能带到任何地方进行检测； 可与手机通过软件相连实时了解状况，并可保存历史数据。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明的第一个实施例示意图。

图3是本发明的第二个实施例示意图。

图4是本发明的第三个实施例示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种基于TDLAS的激光呼气分析仪，包括可调谐半导体激光器1、气体吸收容器2、激光接收单元3、处理控制单元4，所述气体吸收容器2设有进气孔和出气孔，所述可调谐半导体激光器1发出的激光经过所述气体吸收容器2后被所述激光接收单元3接收，所述激光接收单元3与所述处理控制单元1相连，所述激光接收单元3用于将接收到的光信号转换为电信号并将该电信号传输给所述处理控制单元4，所述处理控制单元4根据接收到的电信号分析气体浓度。

全用时，用户向气体吸收容器2内吹入气体，通过该激光呼气分析仪分析气体浓度。

所述处理控制单元4与所述可调谐半导体激光器1相连，所述处理控制单元4用于控制所述可调谐半导体激光器1进行工作。

如图2所示，作为本发明的第一个实施例，该激光呼气分析仪还包括电流控制模块5，所述处理控制单元4与所述电流控制模块5输入端相连，所述电流控制模块5输出端与所述可调谐半导体激光器1相连。

所述激光接收单元3包括光电探测器31，所述光电探测器31用于将接收到的光信号转换为电信号，所述光电探测器31与所述处理控制单元4相连。

如图3所示，作为本发明的第二个实施例，所述激光接收单元3还包括锁相放大模块32，所述光电探测器31输出端与所述锁相放大模块32输入端相连，所述锁相放大模块32输出端与所述处理控制单元4相连。

如图4所示，作为本发明的第三个实施例，所述激光接收单元3还包括前置放大模块33、带通滤波模块34，所述光电探测器31输出端与所述前置放大模块33输入端相连，所述前置放大模块33输出端与所述带通滤波模块34输入端相连，所述带通滤波模块34输出端与所述锁相放大模块32输入端相连。

该激光呼气分析仪还包括温度控制模块6，所述温度控制模块6与所述可调谐半导体激光器1相连。

该激光呼气分析仪还包括加法器7、以及与所述加法器7输入端分别相连的三角波发生模块8、直流量发生模块9、高频余弦调制信息模块10，所述加法器7输出端与所述可调谐半导体激光器1相连。

所述处理控制单元4包括模数转换模块41、以及与所述模数转换模块41相连的分析模块42，所述模数转换模块41用于将输入的模块信号转换为数字信号、并将该数字信号输入至所述分析模块42，所述分析模块42用于计算气体浓度。

在分析模块42中，获得一次谐波均值与最大值，从而计算出气体浓度。

该处理控制单元4还包括与分析模块42相连的输出显示模块，该输出显示模块用于将气体浓度数据显示给用户。

该模数转换模块41可以在处理控制单元4内部，该模数转换模块41也可以是单独的模块，或者该模数转换模块41也可以位于激光接收单元3内部。

在本发明中，TDLAS：是Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy的简称，中文翻译：可调谐半导体激光吸收光谱，是以电流和温度调谐激光器输出波长扫描被测气体的某一条吸收谱线，通过检测吸收光谱的吸收强度获得气体的浓度。采用“单线吸收光谱”测量技术，可以完全避免气体交叉干扰，是一种高分辨率的光谱吸收技术。

在本发明中，采用不同于常规的光源，即可调谐激光光源（如DFB半导体激光器、ICL激光器、QCL激光器等），这类光源具有窄线宽（线宽小于气体吸收谱线宽度，属于单线吸收，不存在吸收干扰），波长可调谐（满足TDLAS的二次谐波算法）；采用不同于常规光源的检测技术，采用TDLAS技术，常规技术一般采用直接吸收方法，直接吸收是以波长为函数记录被测气体对入射光吸收的原型吸收线，而TDLAS技术是利用激光器波长调制通过被测气体的特征吸收区，是一种新型的，具有高灵敏度、高分辨率、快速检测特点的气体检测技术。

本发明的气体吸收容器2采用Herriott吸收池增加气体吸收光程，Herriott（赫里奥特）是一种多反腔长光程的气体吸收池，主要由两块球型镜面和池体组成，具有了长光程、小型化、易操作、高稳定性等特别，基于该技术构建的TDLAS激光呼气分析仪具有高灵敏度、高精度、反应快等优点。

本发明还公开了一种包括所述激光呼气分析仪的系统，该系统还包括终端设备，所述处理控制单元4通过有无或无线方式将气体浓度数据传输至终端设备。该终端设备可以是智能手机，通过智能手机APP互联和开放的API能力，实现“硬+软+服务”有机结合在一起，可让用户实时了解自己的健康状况，并可以通过社交平台交流和分享个人信息。

本发明具有如下技术优势：检测精度高，速度快；便携性好，体积小、可充电、能带到任何地方进行检测； 可与手机通过软件相连实时了解状况，并可保存历史数据。

已有技术一般测量精度低，一般只有ppm，响应时间慢；但本发明采用新技术，测量精度高，达到ppb数量级，响应速度快，在1秒内即可测出气体浓度，做出诊断。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。