激光器的自动寻峰方法、存储介质及气体浓度检测系统

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种激光器的自动寻峰方法、存储介质及气体浓度检测系统。

背景技术

在基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的气体传感器当中，寻找气体吸收峰是生产标定过程中一个非常重要的环节，同时由于分布反馈布拉格光栅激光器的工作温度变化对波长的影响大于注入电流的影响，因此在寻峰过程中通常是先改变激光器的工作温度大致找到气体吸收峰，然后调节驱动电流范围使得峰位正好在扫描线的正中间，以便于后续浓度的解算和保证浓度测量的准确性。相关技术中提出使用硬件PID（ProportionIntegration Differentiation，比例-积分-微分控制器）进行激光器的温度控制，达到改变激光器工作温度和寻找吸收峰的目的，然而此类方法需要手动操作和人工观察，在寻峰过程中会导致大量的峰位误差和较差的一致性，不利于激光气体传感器的自动化生产。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种激光器的自动寻峰方法。该方法无需人工操作，可实现自动寻峰，且寻峰准确性高。

本发明的第二个目的在于提出一种计算机可读存储介质。

本发明的第三个目的在于提出一种气体浓度检测系统。

为达上述目的，本发明第一方面实施例提出的激光器的自动寻峰方法，该方法应用于气体浓度检测系统，所述气体浓度检测系统包括激光器、气体吸收池和光电探测器，所述激光器发射的激光信号经所述气体吸收池至所述光电探测器，所述方法包括：初始化所述激光器的工作温度；采集所述光电探测器探测到的吸收波形数据，并根据所述吸收波形数据判断是否存在吸收峰；若存在，则计算吸收峰位置与所述吸收波形数据的中心位置之间的差值；根据所述差值调节所述激光器的偏置电流和/或工作温度，并返回所述采集所述光电探测器探测到的吸收波形数据的步骤，直至所述差值小于预设差值阈值。

另外，本发明实施例的激光器的自动寻峰方法还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：若不存在吸收峰，则调节所述激光器的工作温度，并返回所述采集所述光电探测器探测到的吸收波形数据的步骤。

根据本发明的一个实施例，所述调节所述激光器的工作温度，包括：若所述初始化温度为所述有效工作温度范围内的最小温度，则将所述激光器的工作温度增大预设温度；若所述初始化温度为所述有效工作温度范围内的最大温度，则将所述激光器的工作温度减小预设温度。

根据本发明的一个实施例，所述预设温度根据所述激光器的温度调谐速率、电流调谐速率和电流调谐范围确定。

根据本发明的一个实施例，所述根据所述差值调节所述激光器的偏置电流和/或工作温度，包括：若所述差值小于0，则增大所述激光器的偏置电流，和/或，减小所述激光器的工作温度；若所述差值大于0，则减小所述激光器的偏置电流，和/或，增大所述激光器的工作温度。

根据本发明的一个实施例，所述偏置电流的增减量和/或所述工作温度的增减量通过对所述差值进行PID调节得到。

为达上述目的，本发明第二方面实施例提出的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现根据本发明第一方面实施例所述的气体探测激光器自动寻峰方法。

为达上述目的，本发明第三方面实施例提出的气体浓度检测系统，所述系统包括：控制装置、激光器、气体吸收池和光电探测器，所述激光器发射的激光信号经所述气体吸收池至所述光电探测器，所述控制装置分别与所述激光器和所述光电探测器连接，用于：初始化所述激光器的工作温度；采集所述光电探测器探测到的吸收波形数据，并根据所述吸收波形数据判断是否存在吸收峰；若存在，则计算吸收峰位置与所述吸收波形数据的中心位置之间的差值；根据所述差值调节所述激光器的偏置电流和/或工作温度，并返回所述采集所述光电探测器探测到的吸收波形数据的步骤，直至所述差值小于预设差值阈值。

另外，本发明实施例的气体浓度检测系统还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述控制装置包括：温控电路、采集电路、驱动电路、跨导电路和微处理器，所述温控电路、采集电路和驱动电路均分别与所述激光器和所述微处理器连接，所述跨导电路分别与所述光电探测器和所述微处理器连接，其中，所述微处理器用于通过所述采集电路获取所述激光器的工作温度，通过所述温控电路调节所述激光器的工作温度，通过所述驱动电路调节所述激光器的偏置电流，通过所述跨导电路将所述光电探测器采集的光电流信号转换为电压信号，得到所述吸收波形数据。

根据本发明实施例的激光器的自动寻峰方法、存储介质及气体浓度检测系统，该激光器的自动寻峰方法，根据吸收峰位置与吸收波形数据的中心位置之间的关系，对激光器的偏置电流和/或工作温度展开调节，使吸收峰位置与吸收波形数据的中心位置的差值小于预设差值阈值，实现激光器自动寻峰，该寻峰方法可避免相关技术中因手动寻峰导致的寻峰误差大和寻峰不稳定等问题的发生，保证激光器寻峰标定工作的一致性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的气体浓度检测系统的结构示意图；

图2是本发明实施例激光器的自动寻峰方法的流程示意图；

图3是本发明实施例激光器的自动寻峰方法中步骤S104的流程示意图；

图4是本发明一个示例的激光器工作温度与偏置电流调整方向的示意图；

图5是本发明实施例计算机可读存储介质的结构示意图；

图6是本发明一个实施例的气体浓度检测系统的结构示意图；

图7是本发明一个具体实施例的气体浓度检测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的激光器的自动寻峰方法、存储介质及气体浓度检测系统。

需要说明的是，本发明实施例中提出的激光器的自动寻峰方法应用于气体浓度检测系统。如图1所示，本发明实施例提出的气体浓度检测系统100包括激光器102、气体吸收池103和光电探测器104，激光器102发射的激光信号经气体吸收池103至光电探测器104。

可选地，本发明实施例中的激光器选为DFB（DistributedFeedback Laser，分布式反馈激光器），其中气体吸收池103采用开放式设计，以保证待测气体可以在气体吸收池103的气体腔内自由流动，且在气体吸收池103的顶部设有两个垂直对射放置的红外反射镜，以使得激光辐射信号可以经过气体吸收池103传输至光电探测器104处。需说明的是，本实施例中采用的DFB激光器内部封装有TEC制冷片和热敏电阻，其中心波长在1653.72 nm附近，此类激光器102可通过改变温度和电流来改变中心波长的位置，针对于本发明实施例而言，可通过调节温度和电流来调谐激发波长，从而进行本发明实施例中激光器102的自动寻峰。

可选地，本发明实施例中所选用的光电探测器104可为探测波长范围为900-1700nm，有效探测面直径为1000μm的探测器。需要说明的是，此处示出的光电探测器104型号的选择形式仅为示例性地，具体应用中可根据实际需求和应用场景进行适应性调整，在本发明实施例中不做出具体限制。

图2是本发明实施例激光器的自动寻峰方法的流程示意图。

如图2所示，在一些实施例中，激光器的自动寻峰方法可包括：

S101，初始化激光器的工作温度。

需要理解的是，此处激光器的初始化工作温度应取决于激光器102的有效工作温度，也就是说需保证在该初始化工作温度下激光器102可以正常发射激光信号。

作为一种可行的实施方式，激光器的初始化温度为激光器102有效工作温度范围内的最大温度或最小温度。

示例性地，对于DFB激光器而言，其有效工作温度为10℃～50℃，因此在执行步骤S101时，可以将激光器的初始化温度设置为最低温度10℃，或者最高温度50℃，以保证DFB激光器可以在对应的初始化温度下正常发射激光信号。

S102，采集光电探测器探测到的吸收波形数据，并根据吸收波形数据判断是否存在吸收峰。

需理解的是，光电探测器104在探测到激光器102发射的激光信号后，便可对其采集并转换为光电流信号，进一步将该光电流信号转换为电压信号，采集该电压信号得到本发明实施例中的吸收波形数据。

在一些实施例中，在根据吸收波形数据判断是否存在吸收峰时，可通过观察该吸收波形数据中对应采集的所有数据中，是否存在一个位置，其左边和右边所有数据的电压值是否均小于该位置所对应的电压值，若存在，则证明吸收波形数据存在吸收峰，若不存在，则证明吸收波形数据中不存在吸收峰。需要说明的是，上述示出的判断吸收波形数据中是否存在吸收峰的方法仅为示例性地，具体应用中也可根据历史经验或实际需求选择其他的判断方式，在本发明实施例中不做出具体限制。

S103，若存在，则计算吸收峰位置与吸收波形数据的中心位置之间的差值。

具体而言，因吸收波形数据包括采集的多个位置对应的多组数据，因此在确定到吸收波形数据中存在吸收峰时，便需判断此吸收峰的位置与吸收波形数据的中心位置之间的关系，并确定该吸收峰位置与吸收波形数据的中心位置之间的差值，方便后续根据该差值进行相对应的调整。

S104，根据差值调节激光器的偏置电流和/或工作温度，并返回采集光电探测器探测到的吸收波形数据的步骤，直至差值小于预设差值阈值。

具体而言，在确定吸收峰位置与吸收波形数据的中心位置之间的差值后，便可判断该差值是否小于预设差值阈值，若该差值大于预设差值阈值，便需根据该差值对激光器102的偏置电流和/或工作温度进行调整，以减小吸收峰位置与吸收波形数据的中心位置之间的差值，即使吸收峰的位置不断靠近吸收波形数据的中心位置，实现激光器自动寻峰。

其中，预设差值阈值可根据实际情况进行选择，在本发明实施例中不做出具体限制。示例性地，若采集的吸收波形数据中包括100个采集点，吸收波形数据中心位置为50个点对应的位置时，若预设差值阈值为2，则在判断到吸收峰位置在吸收波形数据中的第48个点至第52个点内时，均可视为吸收峰位置与吸收波形数据的中心位置之间的差值小于预设阈值。

相较于相关技术中通过手动操作和人工观察进行寻峰而言，本发明实施例提出的激光器的自动寻峰方法，根据吸收峰位置与吸收波形数据的中心位置之间的关系，对激光器102的偏置电流和/或工作温度展开调节，使吸收峰位置与吸收波形数据的中心位置的差值小于预设差值阈值，实现激光器自动寻峰。该寻峰方法可避免相关技术中因手动寻峰导致的寻峰误差大和寻峰不稳定等问题的发生，保证激光器寻峰标定工作的一致性。

进一步地，本发明的另一些实施例中，若判断到吸收波形数据中并未存在吸收峰时，本实施例中的激光器的自动寻峰方法还可包括：

S105，若不存在吸收峰，则调节激光器的工作温度，并返回采集光电探测器探测到的吸收波形数据的步骤。

具体而言，在根据吸收波形数据判断到其中并未存在吸收峰时，由于该吸收波形数据来源于激光器102发射的波形信号，便可针对该激光器102进行调节，以使光电探测器104探测到的吸收波形数据中存在吸收峰。可选地，由于激光器102发射的激光信号波长与工作温度有关，通过调节激光器102的工作温度，使得激光器102输出波长发生变化，在采集到的吸收波形数据中存在吸收峰时便可停止对激光器102工作温度的调节。

作为一种可行的实施方式，在吸收波形数据中不存在吸收峰时，需要对激光器102的工作温度进行调节，以使吸收波形数据中出现吸收峰。可选地，若初始化温度为有效工作温度范围内的最小温度，则将激光器102的工作温度增大预设温度；若初始化温度为有效工作温度范围内的最大温度，则将激光器102的工作温度减小预设温度。

具体而言，在对激光器102的工作温度初始化时，在选择的初始化温度不同时，后续调节过程可相应不同。可理解的是，由于激光器102只有在对应的工作温度内时，才会进行激光信号的发射，因此若激光器102初始化温度为有效工作温度范围内的最小温度时，在进行调节工作时，便需要在该最小温度的基础上增大预设温度；若激光器102初始化温度为有效工作温度范围内的最大温度时，在进行调节工作时，便需要在该最大温度的基础上减小预设温度。

可理解的是，在对激光器102的工作温度进行调节时，由于本发明实施例的激光器102内封装有热敏电阻，根据热敏电阻阻值便可确定激光器102的工作温度。根据热敏电阻阻值确定激光器102工作温度的方式在具体应用中可根据实际情况进行选择，根据查表法或公式法均可，在本发明实施例中不做出具体限制。

作为一种可行的实施方式，预设温度根据激光器102的温度调谐速率、电流调谐速率和电流调谐范围确定。

示例性地，若本实施方式中激光器的初始化温度为有效工作温度范围内的最小温度时，以10℃为例，由于一般的温度调谐速率为0.1 nm/℃，而电流调谐速率为0.01 nm/mA，若电流调谐范围是20mA～60mA，等效为激光器102的工作温度，相当于扫描了4℃，为了不会产生扫描遗漏，则接下来温度调整步长也可设置为4℃，即在激光器102初始化温度10 ℃的基础上加上4℃，然后一直循环下去直至对应温度下所采集到的吸收波形中出现吸收峰。

如图3所示，作为一种可能的实现方式，上述实施例激光器的自动寻峰方法中根据差值调节激光器的偏置电流和/或工作温度，可包括：

S201，若差值小于0，则增大激光器的偏置电流，和/或，减小激光器的工作温度。

S202，若差值大于0，则减小激光器的偏置电流，和/或，增大激光器的工作温度。

图4是本发明一个示例的激光器工作温度与偏置电流调整方向的示意图。参考图4，横坐标为采集到的吸收波形数据的采集点数，纵坐标为光电压，图中a和b分别为两个吸收峰的位置，c为吸收波形数据的中心位置，在吸收峰位置为a时，即吸收峰位置相对于中间位置偏左，也就是吸收峰位置与吸收波形数据的中心位置之间的差值小于0时，便可通过增大激光器102的偏置电流和/或减小激光器102工作温度，使吸收峰位置向吸收波形数据的中心位置方向调整；在吸收峰位置为b时，即吸收峰位置相对于中间位置偏右，也就是吸收峰位置与吸收波形数据的中心位置之间的差值大于0时，便可通过减小激光器102的偏置电流和/或增大激光器102工作温度，使吸收峰位置向吸收波形数据的中心位置方向调整。

在本实施方式中，偏置电流的增减量和/或工作温度的增减量通过对差值进行PID调节得到。

具体而言，在根据吸收峰位置与吸收波形数据的中心位置之间的差值调节激光器102的偏置电流和/或工作温度时，可将该差值作为误差输入，通过增量式PID计算需要调整大小，将输出量对应于对本发明实施例偏置电流的增减量和/或工作温度的增减量上面，之后继续采集吸收波形数据，直至吸收峰位置与吸收波形数据中心位置之间的差值小于上述预设差值，实现激光器自动寻峰。

根据本发明实施例激光器的自动寻峰方法，在吸收波形数据中不存在吸收峰时，通过调节激光器102工作温度，使得采集到的吸收波形数据中存在吸收峰，在出现吸收峰后，根据吸收峰位置与吸收波形数据的中心位置之间的差值和PID调节，确定激光器102的偏置电流和/或工作温度的增减量，使得吸收峰的位置移动到吸收波形数据的中心位置，从而实现自动寻峰，该方法逻辑清楚，且无需人工操作，可减小峰位误差，保证标定工作的一致性。

进一步地，本发明实施例提出一种计算机可读存储介质。

如图5所示，本发明实施例的计算机可读存储介质200，其上存储有计算机程序202，计算机程序202被处理器执行时，实现根据本发明上述实施例的气体探测激光器自动寻峰方法。

进一步地，本发明实施例提出一种气体浓度检测系统。

如图6所示，本发明实施例的气体浓度检测系统100包括控制装置101、激光器102、气体吸收池103和光电探测器104，激光器102发射的激光信号经气体吸收池103至光电探测器104，控制装置101分别与激光器102和光电探测器104连接，用于：初始化激光器102的工作温度；采集光电探测器104探测到的吸收波形数据，并根据吸收波形数据判断是否存在吸收峰；若存在，则计算吸收峰位置与吸收波形数据的中心位置之间的差值；根据差值调节激光器102的偏置电流和/或工作温度，并返回采集光电探测器104探测到的吸收波形数据的步骤，直至差值小于预设差值阈值。

作为一种可能的实现方式，如图7所示，控制装置101包括：温控电路11、采集电路12、驱动电路13、跨导电路14和微处理器15，温控电路11、采集电路12和驱动电路13均分别与激光器102和微处理器15连接，跨导电路14分别与光电探测器104和微处理器15连接，其中，微处理器15用于通过采集电路12获取激光器102的工作温度，通过温控电路11调节激光器102的工作温度，通过驱动电路13调节激光器102的偏置电流，通过跨导电路14将光电探测器104采集的光电流信号转换为电压信号，得到吸收波形数据。

可选地，本实现方式中温控电路11以ADN8834 TEC控制器芯片为核心。

需要说明的是，本发明实施例的气体浓度检测系统的其他构成及作用对本领域的技术人员来说是已知的，为减少冗余，此处不做赘述。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。