一种气体探测装置、方法及计算机可读存储介质

一种气体探测装置、方法及计算机可读存储介质

　　技术领域

　　本发明属于气体探测技术领域，尤其涉及一种气体探测装置、方法及计算机可读存储介质。

　　背景技术

　　可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技术是现阶段被广泛采用的气体探测技术，该技术通过将可调谐激光光源(例如，可调谐半导体激光器)的中心波长调节至待测气体的吸收峰波长范围内，然后控制可调谐激光光源发射探测激光束至待测气体，通过光探测器探测透过待测气体的探测激光束以获得待测气体的吸收光谱，从而可以通过分析吸收光谱获得待测气体的浓度信息。可调谐激光光源通常存在探测激光束的中心波长与待测气体的吸收峰波长偏差大、容易受到环境中的干扰气体干扰以及中心波长长时漂移的问题。

　　发明内容

　　有鉴于此，本发明实施例提供了一种气体探测装置、方法及计算机可读存储介质，以解决可调谐激光光源通常存在中心波长与待测气体的吸收峰波长偏差大、探测激光束容易受到环境中的干扰气体干扰以及探测激光束的中心波长长时漂移的问题。

　　本发明实施例的第一方面提供了一种气体探测装置，包括：

　　一个激光器，用于发射探测激光束；

　　一个探测气室，设置于所述探测激光束的传输光路，用于容置待测气体；

　　一个参考气室，设置于所述探测激光束的传输光路，与所述探测气室相互独立设置或者设置于所述探测气室内部，用于密封参考气体；

　　一个光探测器，用于接收透过所述待测气体和所述参考气体的探测激光束并转换为电信号；

　　一个激光器驱动单元，与所述激光器和所述光探测器连接，用于根据所述电信号反馈控制所述激光器的工作参数，以调节所述探测激光束的中心波长，使所述待测气体的吸收峰波长在所述探测激光束的中心波长范围内；

　　一个信号处理单元，与所述光探测器连接，用于根据所述电信号获得所述待测气体的浓度。

　　本发明实施例的第二方面提供了一种气体探测方法，包括：

　　控制激光器发射探测激光束；其中，所述探测激光束的传输光路设置有探测气室和参考气室，所述参考气室与所述探测气室相互独立设置或者设置于所述探测气室内部，所述探测气室用于容置待测气体，所述参考气室用于密封参考气体；

　　获取光探测器输出的电信号；其中，所述光探测器用于接收透过所述待测气体和所述参考气体的探测激光束并转换为所述电信号；

　　根据所述电信号反馈控制所述激光器的工作参数，以调节所述探测激光束的中心波长，使所述待测气体的吸收峰波长在所述探测激光束的中心波长范围内；

　　根据所述电信号获得所述待测气体的浓度。

　　本发明实施例的第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明实施例的第二方面所述的气体探测方法的步骤。

　　本发明实施例的第一方面提供的气体探测装置包括一个激光器、一个探测气室、一个参考气室、一个光探测器、一个激光器驱动单元及一个信号处理单元，通过将探测气室和参考气室设置于探测激光束的传输光路，可以简化气体探测装置的结构、降低体积；通过激光器驱动单元根据光探测器输出的电信号反馈控制激光器的工作参数，调节探测激光束的中心波长，使待测气体的吸收峰波长在探测激光束的中心波长范围内，从而使得探测激光束的中心波长稳定、不受环境中的干扰气体干扰，可以有效提高气体探测装置的灵敏度。

　　可以理解的是，上述第二方面和第三方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

　　附图说明

　　为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

　　图1是本发明实施例提供的气体探测装置的第一种结构示意图；

　　图2是本发明实施例提供的气体探测装置的第二种结构示意图；

　　图3是本发明实施例提供的气体探测装置的第三种结构示意图；

　　图4是本发明实施例提供的气体探测装置的第四种结构示意图；

　　图5是本发明实施例提供的气体探测装置的第五种结构示意图；

　　图6是本发明实施例提供的激光器的结构示意图；

　　图7是本发明实施例提供的光探测器的结构示意图；

　　图8是本发明实施例提供的参考气室的第一种结构示意图；

　　图9是本发明实施例提供的参考气室的第二种结构示意图；

　　图10是本发明实施例提供的探测气室的第一种结构示意图；

　　图11是本发明实施例提供的探测气室的第二种结构示意图；

　　图12是本发明实施例提供的激光器驱动单元的工作流程示意图；

　　图13是本发明实施例提供的气体探测方法的流程示意图。

　　具体实施方式

　　为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

　　本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

　　如图1至图5中任一附图所示，本发明实施例提供一种气体探测装置，包括：

　　一个激光器1，用于发射探测激光束；

　　一个探测气室2，设置于探测激光束的传输光路，用于容置待测气体；

　　一个参考气室3，设置于探测激光束的传输光路，与探测气室并排设置或者设置于探测气室内部，用于密封参考气体；

　　一个光探测器4，用于接收透过参考气体和待测气体的探测激光束并转换为电信号；

　　一个激光器驱动单元5，与激光器1和光探测器4连接，用于根据电信号反馈控制激光器1的工作参数，以调节探测激光束的中心波长，使待测气体的吸收峰波长在探测激光束的中心波长范围内；

　　一个信号处理单元6，与光探测器4连接，用于根据电信号获得待测气体的浓度。

　　图1至图10中带箭头的实线表示探测激光束的传输光路，带箭头的虚线表示电信号的传输路径。

　　在应用中，由于随着工作时间和工作参数存储时间的增加，激光器输出的探测激光束的中心波长会逐渐漂移(即长时漂移)，激光器出厂时待测气体的吸收峰波长在激光器输出的探测激光束的中心波长范围内，当探测激光束的中心波长相对于待测气体的吸收峰波长的漂移量大于中心波长范围的一半时，待测气体的吸收峰在探测激光束的中心波长范围之外，导致待测气体的吸收峰无法被探测到，例如，中心波长范围的一半为0.15nm-0.5nm时，探测激光束的中心波长相对于待测气体的吸收峰波长的漂移量最大可达到0.2nm-0.3nm，此时气体探测装置有很高的失效风险。为了解决激光器的中心波长长时漂移的问题，可以通过激光器驱动单元根据光探测器输出的电信号反馈控制激光器的工作参数，以调节探测激光束的中心波长，使待测气体的吸收峰波长在探测激光束的中心波长范围内。具体的，激光器驱动单元是根据电信号分析待测气体和参考气体的吸收光谱，当吸收光谱没有吸收峰或者吸收峰波长不在探测激光束的中心波长范围内时，调节激光器的工作参数，以达到调节探测激光束的中心波长，使吸收光谱的吸收峰波长在探测激光束的中心波长范围内的目的。

　　在应用中，工作参数可以是工作温度、偏置电流或偏置电压。可以通过改变激光器的激光芯片的工作温度、偏置电流或偏置电压，来调节激光器发射的探测激光束的中心波长。激光器的调制类型可以为电流调制型或电压调制型。激光器可以为任意类型的可调谐激光器，例如，法布里-珀罗(Fabry-Perot)激光器、分布反馈式(Distributed Feedback)半导体激光器、分布布喇格反射(Distributed Bragg reflector)激光器、垂直腔表面发射(Vertical-cavity surface-emitting)激光器和外腔调谐半导体激光器等可调谐半导体激光器。

　　在应用中，探测气室可以包括开放式腔体或密闭腔体，探测气室也可以为自由空间。自由空间可以是大气环境下任意室内空间或室外空间。开放式腔体可以为一端为敞口、相对的另一端设置有透光窗或反射镜的U型腔体，也可以为相对的两端都为敞口的环形腔体，还可以为相对的两端各设置有一个反射镜的开放式腔体。密闭腔体可以由相对的两端各设置有一个透光窗的封装壳体构成，也可以由相对的两端各设置有一个反射镜的封装壳体构成，还可以由一端设置有透光窗、相对的另一端设置有反射镜的封装壳体构成。

　　在应用中，参考气室包括密闭腔体。密闭腔体可以由相对的两端各设置有一个透光窗的封装壳体构成，也可以由一端设置有透光窗、相对的另一端设置有反射镜的封装壳体构成。参考气室可以与激光器、探测气室或光探测器中的任一个集成设置，例如，在激光器的封装壳体内部形成密闭腔体，将该密闭腔体作为参考气室，将用于发射探测激光束的激光器芯片设置于参考气室中；或者，在光探测器的封装壳体内部形成密闭腔体，将该密闭腔体作为参考气室，将用于接收探测激光束的光探测器芯片设置于参考气室中；或者，将参考气室设置于探测气室内部，使参考气室与探测气室的一端共用一个透光窗或一个反射镜。

　　在应用中，探测气室和参考气室都设置于探测激光束的传输光路，传输光路包括发射光路和接收光路，当发射光路和接收光路同轴时，激光器和光探测器相对设置，探测气室和参考气室设置于激光器和光探测器之间，激光器发射的探测激光束透过待测气体和参考气体之后被光探测器接收；当发射光路和接收光路不同轴时，激光器和光探测器设置于同一侧，参考气室可以设置于发射光路或接收光路。当发射光路和接收光路不同轴时，气体探测装置的工作原理包括但不限于以下几种情况：

　　1、激光器发射的探测激光束透过待测气体和参考气体之后，被探测气室或参考气室中的反射物反射至光探测器；

　　2、参考气室设置于发射光路，激光器发射的探测激光束透过待测气体和参考气体之后，被探测气室中的反射物反射至光探测器；

　　3、参考气室设置于接收光路，激光器发射的探测激光束透过待测气体和参考气体之后，被探测气室中的反射物反射至光探测器。

　　在应用中，参考气室中的反射物为反射镜。探测气室包括密闭腔体或开放式腔体时，探测气室中的反射物为反射镜。探测气室为自由空间时，反射物为位于待测气体所在区域且能够反射光线的任意物体。反射镜可以由至少一个平面反射镜或至少一个凹面反射镜构成。反射镜用于实现对探测激光束的光程折叠，可以提高气体探测装置的光程体积比。

　　图1中示例性的示出发射光路和接收光路同轴，激光器1和光探测器4相对设置，探测气室2和参考气室3设置于激光器1和光探测器4之间，参考气室3设置于探测气室2内部靠近激光器1的一端。

　　在应用中，发射光路和接收光路同轴且参考气室设置于探测气室内部时，参考气室在探测气室内部的位置可以根据实际需要设置，可以将参考气室设置于探测气室内部靠近激光器的一端，也可以将参考气室设置于探测气室内部靠近光探测器的一端，还可以将参考气室设置于探测气室的中部。

　　图2中示例性的示出发射光路和接收光路同轴，激光器1和光探测器4相对设置，探测气室2和参考气室3依次设置于激光器1和光探测器4之间，探测气室2与参考气室3相互独立设置。

　　在应用中，发射光路和接收光路同轴且探测气室与参考气室相互独立设置时，探测气室和参考气室在激光器和光探测器之间的位置顺序可以根据实现需要设置，可以按照激光器、探测气室、参考气室、光探测器的顺序依次设置，也可以按照激光器、参考气室、探测气室、光探测器的顺序依次设置。

　　图3中示例性的示出发射光路和接收光路不同轴，激光器1和光探测器4设置于同一侧，参考气室3设置于发射光路，参考气室3设置于探测气室2内部，探测激光束被探测气室2中的反射物反射至光探测器4。

　　图4中示例性的示出发射光路和接收光路不同轴，激光器1和光探测器4设置于同一侧，参考气室3设置于接收光路，探测激光束被探测气室2中的反射物反射至光探测器4。

　　在应用中，图3和图4中的参考气室也可以设置于探测气室外部。

　　图5中示例性的示出发射光路和接收光路不同轴，激光器1和光探测器4设置于同一侧，参考气室3设置于探测气室2内部远离激光器1的一端，探测激光束被参考气室3中的反射物反射至光探测器4。

　　在应用中，图5中的参考气室也可以设置于探测气室外部远离激光器的一端。

　　如图6所示，在一个实施例中，激光器1包括：

　　第一封装壳体11，内部形成有第一密闭腔体且一端设置有第一透光窗12，第一密闭腔体用于作为参考气室2，第一透光窗12用于透过探测激光束；

　　激光器芯片13，设置于参考气室2中且与第一透光窗12相对。

　　在应用中，激光器的形状和构造可以根据实际需要进行设置。第一封装壳体和第一透光窗可以一体化成型，也可以独立成型后拼接在一起。激光器芯片与第一透光窗相对设置，使得激光器芯片发射的探测激光束能够在依次透过参考气体和第一透光窗之后传输至探测气室。

　　如图7所示，在一个实施例中，光探测器4包括：

　　第二封装壳体41，内部形成有第二密闭腔体且一端设置有第二透光窗42，第二密闭腔体用于作为参考气室2，第二透光窗42用于透过探测激光束；

　　光探测器芯片43，设置于参考气室2中且与第二透光窗42相对。

　　在应用中，光探测器的形状和构造可以根据实际需要进行设置。第二封装壳体和第二透光窗可以一体化成型，也可以独立成型后拼接在一起。光探测器芯片与第二透光窗相对设置，使得探测激光束能够在依次透过第二透光窗和参考气体之后被光探测器芯片接收。

　　如图8所示，在一个实施例中，参考气室3包括：

　　第三封装壳体311，内部形成有第三密闭腔体312且相对的两端分别设置有第三透光窗313和第四透光窗314，第三密闭腔体312用于密封参考气体，第三透光窗313和第四透光窗314用于透过探测激光束。

　　在应用中，参考气室的形状和构造可以根据实际需要进行设置。第三封装壳体、第三透光窗和第四透光窗可以一体化成型，也可以独立成型后拼接在一起。第三透光窗和第四透光窗相对设置，使得探测激光束能够依次透过第三透光窗、参考气体和第四透光窗。

　　在应用中，图1至图4中的参考气室均可以采用图8所示的参考气室。

　　如图9所示，在一个实施例中，参考气室3包括：

　　第四封装壳体321，内部形成有第四密闭腔体322且相对的两端分别设置有第一反射镜323和第五透光窗324，第四密闭腔体322用于密封参考气体，第一反射镜323用于反射探测激光束以实现对探测激光束的光程折叠，第五透光窗324用于透过探测激光束。

　　在应用中，参考气室的形状和构造可以根据实际需要进行设置。第四封装壳体、第一反射镜和第五透光窗可以一体化成型，也可以独立成型后拼接在一起。第一反射镜和第五透光窗相对设置，使得探测激光束能够依次透过第五透光窗和参考气体之后被第一反射镜反射至待测气体。第一反射镜可以由至少一个平面反射镜或至少一个凹面镜构成。

　　在应用中，图5中的参考气室可以采用图9所示的参考气室。

　　如图10或图11所示，在一个实施例中，探测气室2包括：

　　第二反射镜21；

　　第三反射镜22，与第二反射镜21相对设置形成开放式腔体，第二反射镜21和第三反射镜22用于反射探测激光束以实现对探测激光束的光程折叠。

　　在应用中，第二反射镜和第三反射镜中一个为凹面反射镜或者由两个平面反射镜构成，另一个为凹面反射镜或者由两个凹面反射镜构成。

　　图10中示例性的示出第二反射镜21和第三反射镜22都为凹面反射镜且二者的主光轴重合，第二反射镜21设置有第六透光窗211，第三反射镜22设置有第七透光窗221。

　　在应用中，第六透光窗和第七透光窗可以为通孔。

　　图11中示例性的示出第二反射镜21由第一平面反射镜211和第二平面反射镜212构成，第三反射镜22为凹面反射镜，第一平面反射镜211垂直于第三反射镜22的主光轴，第二平面反射镜212相对于第一平面反射镜211倾斜设置。

　　在应用中，图1和图2所示的探测气室可以采用图10所示的探测气室，图3至图5中的探测气室均可以采用图11所示的探测气室。

　　在一个实施例中，探测气室包括第五密闭腔体，第五密闭腔体用于密封待测气体，探测气室的压强与参考气室的压强相同；

　　或者，探测气室为自由空间或包括开放式腔体，参考气室的压强为1个大气压。

　　在应用中，在图10或图11中的探测气室增加第五封装壳体，将第二反射镜和第三反射镜设置于第五封装壳体，即可在第五封装壳体内部形成第五密闭腔体。在探测气室包括密闭腔体的情况下，参考气室的压强设置为与探测气室的压强相同。在探测气室为自由空间或包括开放式腔体的情况下，由于探测气室与大气环境相通，探测气室的压强与大气环境的压强相近，大气环境的压强通常为1个大气压或0.9～1.1个大气压之间，因此，可以将参考气室的压强设置为1个大气压，以在保证参考气室的压强恒定的同时，使得探测气室的压强与参考气室的压强相同或相近。

　　在应用中，参考气体与待测气体可以为同一种气体，也可以为不同种气体，在参考气体与待测气体为不同种气体的情况下，要求参考气体与待测气体的吸收峰波长之间的偏差小于激光器的中心波长范围的上限值。所有透光窗都可由透光材料制成，透光材料可以是玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)和聚双烯丙基二甘醇碳酸酯(CR-39)等。

　　如图12所示，在一个实施例中，激光器驱动单元的具体工作流程如下：

　　步骤S100、启动；

　　步骤S101、根据所述激光器的工作参数，控制所述激光器发射探测激光束，进入步骤S102；

　　步骤S102、根据光探测器输出的电信号，分析所述待测气体的吸收光谱，进入步骤S103；

　　步骤S103、判断所述吸收光谱是否有吸收峰；若是，则进入步骤S105；若否，则进入步骤S104；

　　步骤S104、在所述吸收光谱没有吸收峰时，获取预设参数改变量，进入步骤S108；

　　步骤S105、判断所述吸收峰是否在所述探测激光束的中心波长范围内；若是，则进入步骤S110；若否，则进入步骤S106；

　　步骤S106、在所述吸收光谱有吸收峰且所述吸收峰不在所述探测激光束的中心波长范围内时，获取所述吸收峰波长相对于所述探测激光束的中心波长的漂移量，进入步骤S107；

　　步骤S107、根据所述漂移量和预设波长效率，获得预设参数改变量，进入步骤S108；

　　步骤S108、根据所述工作参数和所述预设参数改变量，获得新的工作参数，进入步骤S109；

　　步骤S109、将所述工作参数设置为所述新的工作参数，并返回执行步骤S101；

　　步骤S110、结束。

　　在应用中，启动是指激光器驱动单元启动，此时，气体探测装置中的其他部件也都上电启动。激光器驱动单元启动后，从存储器中获取激光器的工作参数，控制激光器发射探测激光束。当激光器的调制类型为电流调制型时，根据工作参数输出对应的电流信号至激光器；当激光器的调制类型为电压调制型时，根据工作参数输出对应的电压信号至激光器；当激光器的工作参数为激光器芯片的工作温度时，根据工作参数输出对应的工作温度至激光器。结束是指激光器驱动单元结束对激光器发射的探测激光束的中心波长进行控制；结束也可以指激光器驱动单元关闭或待机，此时，气体探测装置中的其他部件也可以关闭或待机。

　　在应用中，当吸收光谱没有吸收峰时，表明吸收峰波长不在探测激光束的中心波长范围内，没有被探测到，需要根据预设参数改变量来调节工作参数，获得新的工作参数，在这种情况下，预设参数改变量为预先设置并存储在存储器中的参数改变量。当吸收光谱有吸收峰时，表明吸收峰波长在探测激光束的中心波长范围内，有被探测到，需要进一步判断吸收峰是否在探测激光束的中心波长范围内，当吸收峰不在探测激光束的中心波长范围内时，也需要根据预设参数改变量来调节工作参数，获得新的工作参数，在这种情况下，预设参数改变量根据吸收峰波长相对于探测激光束的中心波长的漂移量和预设波长效率获得。预设波长效率为单位工作参数改变量下的探测激光束的波长改变量。当工作参数为工作温度时，预设参数改变量为预设温度改变量；当工作参数为偏置电流时，预设参数改变量为预设电流改变量；当工作参数为偏置电压时，预设参数改变量为预设电压改变量。

　　在一个实施例中，步骤S107中，根据所述漂移量和预设波长效率，获得预设参数改变量的表达式为：

　　ΔX＝Δλ/k；

　　k＝dλ/dX；

　　其中，ΔX表示所述预设参数改变量，Δλ表示所述漂移量，k表示所述预设波长效率，dλ表示单位工作参数改变量下的所述探测激光束的波长改变量，dX表示单位工作参数改变量。

　　在应用中，当工作参数为工作温度时，预设波长效率为温度波长效率，dX可以写成dT，表示单位工作温度改变量；当工作参数为偏置电流时，预设波长效率为电流波长效率，dX可以写成dI，表示单位偏置电流改变量；当工作参数为偏置电压时，预设波长效率为电压波长效率，dX可以写成dV，表示单位偏置电压改变量。当吸收光谱没有吸收峰时，表明漂移量大于中心波长范围的一半，此时，预设参数改变量应当大于根据漂移量和预设波长效率获得的预设参数改变量。

　　在一个实施例中，步骤S108中，根据所述工作参数和所述预设参数改变量，获得新的工作参数的表达式为：

　　Xnew＝X0+ΔX；

　　其中，Xnew表示所述新的工作参数，X0表示所述工作参数，ΔX表示所述预设参数改变量。

　　在应用中，当工作参数为工作温度时，Xnew、X0和ΔX分别可以写成Tnew、T0和ΔT；当工作参数为偏置电流时，Xnew、X0和ΔX分别可以写成Inew、I0和ΔI；当工作参数为偏置电压时，Xnew、X0和ΔX分别可以写成Vnew、V0和ΔV。在获得新的工作参数之后，则将新的工作参数赋值给工作参数，完成步骤S109，也即令X0＝Xnew；然后，根据新的工作参数继续控制激光器发射探测激光束，如此，在气体探测装置工作中，通过激光器驱动单元反复根据光探测器输出的电信号调节探测激光束的中心波长，可以使吸收光谱的吸收峰波长始终在探测激光束的中心波长范围内。

　　在一个实施例中，信号处理单元还用于：

　　根据所述探测气室的压强、所述探测激光束在所述探测气室中的光程、所述参考气室的压强、所述探测激光束在所述参考气室中的光程以及所述参考气体的浓度，对所述待测气体的浓度进行校正，得到校正后的所述待测气体的浓度。

　　在应用中，参考气室的存在会对待测气体的探测操作造成干扰，因此，需要对获得的待测气体的浓度进行校正，具体的，通过信号处理单元根据光探测器输出的电信号分析待测气体的浓度，然后将分析获得的待测气体的浓度中由参考气室产生的干扰信号扣除，得到实际的待测气体的浓度。参考气室产生的干扰信号与探测气室的压强、探测激光束在探测气室中的光程、参考气室的压强、探测激光束在参考气室中的光程以及参考气体的浓度有关，当参考气体与待测气体不是同一种气体时，参考气室产生的干扰信号还与参考气体与待测气体的吸收峰波长的相对位置有关。

　　在一个实施例中，所述参考气体与所述待测气体是同一种气体，校正后的所述待测气体的浓度的表达式为：

　　C2＝C-β·C1；

　　β＝P1·L1/(P2·L2)；

　　其中，C2表示校正后的所述待测气体的浓度，C表示校正前的所述待测气体的浓度，β·C1表示参考气体干扰项，C1表示所述参考气体的浓度，P1表示所述参考气室的压强，L1表示所述探测激光束在所述参考气室中的光程，P2表示所述探测气室的压强，L2表示所述探测激光束在所述探测气室中的光程。

　　在应用中，参考气体与待测气体是同一种气体的情况下，待测气体的浓度校正表达式的具体推导过程如下：

　　1、由于气体对光的吸收遵循朗伯比尔定律(Beer-Lambert Law)，因此，气体的吸收光谱的表达式为：

　　l(ν)＝l0·exp(-α(ν-ν0)·P·L·C)；(1)

　　其中，l(ν)表示气体的吸收光谱或出射光强，l0表示入射光强，α(ν-ν0)表示与波长或频率ν相关的吸收系数，ν表示波数代表的频率，ν0表示吸收峰的中心频率，P表示气体的压强，L表示光程，C表示气体的浓度；

　　α(ν-ν0)＝N·S·Φ(ν-ν0)；(2)

　　N＝2.686754X1019(T0/T)；

　　其中，N表示室温下的单位压强、单位体积内的分子数，S表示气体的吸收光谱的强度，Φ(ν-ν0)表示归一化线型函数，T表示气体的温度，T0表示室温；

　　2、基于表达式(1)和(2)，对于本发明实施例所提供的气体探测装置，待测气体的吸收光谱的表达式为：

　　l(ν)＝l0·exp(-α1(ν-ν0)·P1·L1·C1)·exp(-α2(ν-ν0)·P2·L2·C2)；(3)

　　α1(ν-ν0)＝N1·S1·Φ1(ν-ν0)；(4)

　　α2(ν-ν0)＝N2·S2·Φ2(ν-ν0)；(5)

　　其中，第一个指数项exp(-α1(ν-ν0)·P1·L1·C1)与参考气室相关，第二个指数项exp(-α2(ν-ν0)·P2·L2·C2)与探测气室相关，α1(ν-ν0)表示参考气体的吸收系数，P1表示参考气室的压强，L1表示探测激光束在参考气室中的光程，C1表示参考气体的浓度，α2(ν-ν0)表示待测气体的吸收系数，P2表示探测气室的压强，L2表示探测激光束在探测气室中的光程，C2表示校正后的待测气体的浓度；

　　3、由于参考气体与待测气体是同一种气体，因此，式(4)和式(5)中的吸收光谱的强度S1和S2相同，进一步考虑到参考气体与待测气体所处的环境温度相同，因此，式(4)和式(5)中室温下的单位压强N1和N2也相同；

　　式(2)中的归一化线性函Φ(ν-ν0)与温度和压强相关，参考气体和待测气体所处的环境温度虽然相同，但由于压强的差异，一般来讲，参考气体的吸收系数α1与待测气体的吸收系数α2不同，但考虑到P1和P2差异不大，且线型函数α1和α2虽然形状不同，但对压强的一级偏差，其峰值差异为二级偏差，可忽略不计，因此，可令α1＝α2＝α，式(3)可以进一步化简为如下表达式：

　　l(ν)＝l0·exp(-α(ν-ν0)·(P1·L1·C1+P2·L2·C2))；(6)

　　4、令ν＝ν0，根据式(6)得到校正后的待测气体的浓度的表达式为：

　　C2＝(-ln(l(ν0)/l0)/α-P1·L1·C1)/P2·L2)；(7)

　　5、式(7)可以进一步写成如下表达式：

　　C2＝C-β·C1；(8)

　　其中，第一项C为扣除参考气室产生的干扰信号之前分析得到的待测气体的浓度(即校正前的待测气体的浓度)，C＝(-ln(l(ν0)/l0)/(α·P2·L2)，第二项β·C1为参考气体干扰项，β＝P1·L1/(P2·L2)。

　　在应用中，式(7)是通过直采法(测量吸收谱线的峰峰值)得到的待测气体的浓度表达式，式(8)可以适用于非直采法，例如，式(8)可以是基于TDLAS技术的二次谐波法得到的待测气体的浓度表达式。

　　在一个实施例中，所述参考气体与所述待测气体是同一种气体，参考气体的浓度C1和探测激光束在参考气室中的光程L1需满足以下关系式：

　　L1·C1＝n·C0·(P2·L2)/P1；

　　其中，n的取值范围为[1,5]，C0表示气体探测装置可探测的待测气体的浓度的下限值，P1表示参考气室的压强，P2表示探测气室的压强，L2表示探测激光束在探测气室中的光程。

　　在应用中，参考气体的浓度和探测激光束在参考气室中的光程的设定原则是：参考气体对探测激光束的吸收率不能低于气体探测装置可探测的待测气体的浓度的下限值，否则待测气体的吸收光谱没有吸收峰，从而无法确定激光器输出探测激光器的中心波长与吸收峰的相对位置；参考气体对探测激光束的吸收率也不能过大，以免对探测结果产生过大干扰。参考气体对探测激光束的吸收率等于气体探测装置可探测的待测气体的浓度的下限值产生的吸收率的1-5倍即可。n的取值范围也可以设置为[1,3]。

　　在应用中，激光器驱动单元和信号处理单元可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者任何常规的处理器等。

　　在应用中，气体探测装置可包括，但不仅限于激光器、探测气室、参考气室、光探测器、激光器驱动单元及信号处理单元。本领域技术人员可以理解，图示仅仅是气体探测装置的举例，并不构成对气体探测装置的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如还可以包括输入输出设备、网络接入设备等。

　　在应用中，存储器在一些实施例中可以是气体探测装置的内部存储单元，例如，气体探测装置的硬盘或内存，具体可是激光器驱动单元的内存。存储器在另一些实施例中也可以是气体探测装置的外部存储设备，例如，气体探测装置上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器还可以既包括气体探测装置的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器用于存储操作系统、应用程序、引导装载程序(BootLoader)、数据以及其他程序等，例如计算机程序的程序代码等。存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。激光器驱动单元和信号处理单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在。另外，激光器驱动单元和信号处理单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

　　本发明实施例提供的气体探测装置包括一个激光器、一个探测气室、一个参考气室、一个光探测器、一个激光器驱动单元及一个信号处理单元，通过将探测气室和参考气室设置于探测激光束的传输光路，可以有效简化气体探测装置的结构、降低体积；通过激光器驱动单元根据光探测器输出的电信号反馈控制激光器的工作参数，调节探测激光束的中心波长，使待测气体的吸收峰波长在探测激光束的中心波长范围内，从而使得探测激光束的中心波长稳定、不受环境中的干扰气体干扰，可以有效提高气体探测装置的灵敏度，解决激光器的中心波长长时漂移，导致气体探测装置的灵敏度降低或失效的问题；通过信号处理单元对待测气体的浓度进行校正，可以消除参考气体对待测气体的浓度探测结果造成的干扰，以获得准确的待测气体的浓度。

　　如图13所示，本发明实施例还提供一种基于上述气体探测装置实现的气体探测方法，包括如下步骤：

　　步骤S1、控制激光器发射探测激光束；

　　步骤S2、获取光探测器输出的电信号；

　　步骤S3、根据所述电信号反馈控制所述激光器的工作参数，以调节所述探测激光束的中心波长，使所述参考气体的吸收峰波长在所述探测激光束的中心波长范围内；

　　步骤S4、根据所述电信号获得所述待测气体的浓度。

　　在应用中，步骤S1至S3由激光器驱动单元执行，步骤S2和S4由信号处理单元执行，也即激光器驱动单元和信号处理单元都会执行获取光探测器输出的电信号的操作。

　　在一个实施例中，步骤S1包括由激光器驱动单元执行的用于控制探测激光束的波长的如下操作：

　　根据所述激光器的工作参数，控制所述激光器发射探测激光束；

　　步骤S3包括由激光器驱动单元执行的用于控制探测激光束的波长的如下操作：

　　根据光探测器输出的电信号，分析所述待测气体和所述参考气体的吸收光谱；

　　在所述吸收光谱没有吸收峰时，获取预设参数改变量；

　　在所述吸收光谱有吸收峰且所述吸收峰不在所述探测激光束的中心波长范围内时，获取所述吸收峰波长相对于所述探测激光束的中心波长的漂移量；

　　根据所述漂移量和预设波长效率，获得预设参数改变量，所述预设波长效率为所述工作参数改变单位量时所述探测激光束的波长改变量；

　　根据所述工作参数和所述预设参数改变量，获得新的工作参数；

　　将所述工作参数设置为所述新的工作参数，并返回执行步骤S1。

　　在一个实施例中，所述气体探测方法还包括由信号处理单元执行的用于对待测气体的浓度进行校正的如下操作：

　　根据所述探测气室的压强、所述探测激光束在所述探测气室中的光程、所述参考气室的压强、所述探测激光束在所述参考气室中的光程以及所述参考气体的浓度，对所述待测气体的浓度进行校正，得到校正后的所述待测气体的浓度。

　　需要说明的是，上述步骤的执行过程，由于与本发明的气体探测装置实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见气体探测装置实施例部分，此处不再赘述。

　　本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时可实现上述气体探测方法实施例中的步骤。

　　本发明实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在气体探测装置上运行时，使得气体探测装置可实现上述气体探测方法实施例中的步骤。

　　在应用中，计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。

　　在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

　　本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的器件、单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

　　在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成，或一些特征可以忽略，或不执行。

　　以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。