叢夢(mèng)龍,王一丁

(1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)物理與電子學(xué)院,內(nèi)蒙古 通遼 028000;2.吉林大學(xué)集成光電子國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 130012)

大氣污染是世界各國(guó)所共同面臨的一個(gè)全球性問題,而該問題將會(huì)引發(fā)一系列嚴(yán)重后果。例如,因?yàn)槿祟惿a(chǎn)和生活所產(chǎn)生的過量溫室效應(yīng)氣體直接導(dǎo)致了全球氣候變暖。目前CO2、N2O和CH4這三種溫室效應(yīng)氣體在大氣中所占體積百分比分別是380×10-6、1.8×10-6和0.32×10-6。燃燒礦物燃料、煤以及木制品,制造水泥和土地沙漠化,這些情況都會(huì)產(chǎn)生CO2;CH4含量的增加來自燃燒礦物燃料、種植水稻、畜牧業(yè)、生物質(zhì)材料焚燒和垃圾填埋;N2O的主要人為來源是農(nóng)業(yè)和工業(yè),例如己二酸和硝酸的生產(chǎn)。固體廢物以及礦物燃料的燃燒也會(huì)造成大氣中N2O濃度的升高。近年來,為了控制工業(yè)生產(chǎn)過程和監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量,對(duì)以上痕量氣體的檢測(cè)需求越來越多。因?yàn)楹哿繗怏w對(duì)環(huán)境有著重大影響,所以急需開發(fā)響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好且靈敏度高的氣體檢測(cè)技術(shù)[1-2]。

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)[3-5]具有選擇性好、穩(wěn)定度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),非常適合于對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性與定量分析。與傳統(tǒng)的化學(xué)方法相比,它無需采樣,可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測(cè)量,且無催化劑中毒現(xiàn)象。分布反饋式(DFB)二極管激光器(LD)的低成本、窄線寬和結(jié)構(gòu)緊湊[6-7]等特點(diǎn)使其成為應(yīng)用于TDLAS技術(shù)的一種典型光源,它可以通過改變驅(qū)動(dòng)電流或工作溫度來微調(diào)波長(zhǎng),使光源發(fā)射譜逼近待測(cè)氣體吸收峰,進(jìn)而獲得理想的檢測(cè)效果。

DFB-LD由于受到生長(zhǎng)工藝的制約,使其發(fā)射波長(zhǎng)被限定在近紅外范圍內(nèi),對(duì)應(yīng)于大多數(shù)氣體紅外吸收的泛頻帶和組合頻,因此吸收譜線強(qiáng)度遠(yuǎn)弱于基頻帶[8]。雙光路直接檢測(cè)[9]和波長(zhǎng)調(diào)制光譜(WMS)[10-11]是用于提高DFB-LD光源檢測(cè)靈敏度的兩種不同方法,二者性能各有優(yōu)劣:雙光路直接檢測(cè)需要將激光器的發(fā)射光束一分為二,其中主光路經(jīng)過待測(cè)氣體吸收而發(fā)生強(qiáng)度衰減后被一支光電探測(cè)器所接收,參考光路未經(jīng)樣本吸收而直接被同樣型號(hào)的另一光電探測(cè)器采集。通過對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行差分檢測(cè),可消除原始光強(qiáng)背景,獲得代表氣體濃度的相對(duì)光強(qiáng)度衰減量。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,分析過程直截了當(dāng)。然而,由于主光路在氣室中傳輸時(shí)受到光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)的影響,而參考光路未受此影響,導(dǎo)致在差分檢測(cè)環(huán)節(jié)無法消除光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)的干擾。此外,兩支探測(cè)器盡管經(jīng)過仔細(xì)挑選,但實(shí)際參數(shù)仍存在明顯差異,這也影響了該方法靈敏度的進(jìn)一步提高;WMS技術(shù)采用高頻電流調(diào)制激光器發(fā)射波長(zhǎng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體吸收系數(shù)的調(diào)制,使吸收系數(shù)能夠以傅立葉級(jí)數(shù)形式展開。利用相敏檢波技術(shù)可提取傅立葉級(jí)數(shù)的某一項(xiàng)系數(shù),即諧波分量。當(dāng)光學(xué)深度較淺時(shí),此諧波分量與氣體濃度值呈正比例關(guān)系。WMS技術(shù)通過波長(zhǎng)調(diào)制的方法提升了檢測(cè)系統(tǒng)的工作頻率,降低了1/f噪聲,獲得了比雙光路直接檢測(cè)更高的檢測(cè)靈敏度。但是,該方法在光源驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)需要主動(dòng)調(diào)制激光器的發(fā)射波長(zhǎng),在信號(hào)檢測(cè)環(huán)節(jié)需要使用鎖相放大器,這不僅增加了設(shè)計(jì)難度,亦提高了整體的成本。除此之外,由于激光器在波長(zhǎng)調(diào)制的同時(shí)也伴隨著強(qiáng)度調(diào)制(IM)現(xiàn)象[12],而IM的存在使提取出的目標(biāo)諧波分量與其鄰頻諧波分量相互混疊,造成檢測(cè)信號(hào)到氣體濃度的回歸分析過程復(fù)雜化。以目前常見的采用一次諧波(WMS-1f)歸一化處理的二次諧波(WMS-2f)檢測(cè)為例,其輸出信號(hào)表達(dá)式包含了吸收系數(shù)傅立葉級(jí)數(shù)中的五個(gè)分量(H0～H4),且這些分量又與激光器的強(qiáng)度調(diào)制系數(shù)(i0和i2)及其對(duì)應(yīng)的相角(ψ1和ψ2)相互作用。為了從檢測(cè)得到的諧波信號(hào)獲取氣體濃度值,需要對(duì)激光器的調(diào)制系數(shù)和相應(yīng)的相角進(jìn)行測(cè)量[13],實(shí)現(xiàn)過程比較繁瑣。

本次研究旨在將雙光路直接檢測(cè)和波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)的優(yōu)勢(shì)相互融合,研制一種性價(jià)比高、性能穩(wěn)定且實(shí)現(xiàn)過程相對(duì)簡(jiǎn)單的光譜吸收式氣體傳感器。該傳感器能夠在不對(duì)激光器激射波長(zhǎng)實(shí)施電流調(diào)制的前提下,直接構(gòu)造出與波長(zhǎng)調(diào)制光譜中WMS-1f等價(jià)的吸收光譜的一階導(dǎo)數(shù),并利用該導(dǎo)數(shù)信號(hào)實(shí)現(xiàn)氣體濃度的標(biāo)定。為檢驗(yàn)所述理論的效用,在溫度為296 K,壓力為1.01×105Pa的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,測(cè)試了若干被氮?dú)庀♂尩募淄闅怏w樣本,過程如下:首先,通過仿真模擬和實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)相結(jié)合的辦法確定最有利于吸收光譜一階導(dǎo)數(shù)信號(hào)采集的波長(zhǎng)調(diào)諧系數(shù);接下來,對(duì)平衡式探測(cè)器[14]輸出的一階光譜導(dǎo)數(shù)信號(hào)和與之對(duì)應(yīng)的甲烷樣本濃度回歸分析,獲得二者之間的映射關(guān)系;最后,以Lorentz函數(shù)作為光譜吸收線形的數(shù)學(xué)模型,對(duì)測(cè)量500×10-6濃度樣本所得的結(jié)果進(jìn)行非線性擬合,獲得該次測(cè)量的信噪比(SNR),并利用此SNR推導(dǎo)得出信噪比降低為1時(shí)的氣體濃度理論檢測(cè)限。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1給出了本次研究的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖。有效吸收路徑為15.4 cm的不銹鋼氣室有三個(gè)對(duì)外接口,分別連接微型真空泵、電容式壓力計(jì)和質(zhì)量流量控制器(未在圖中標(biāo)出)。其中微型真空泵負(fù)責(zé)在每次實(shí)驗(yàn)之間對(duì)氣室進(jìn)行抽真空處理,防止殘留樣本影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果;電容式壓力計(jì)用于對(duì)氣室中的總壓力進(jìn)行監(jiān)視;根據(jù)氣壓計(jì)的顯示值,調(diào)整質(zhì)量流量控制器來增大或減小氣流速度,使氣室內(nèi)壓力穩(wěn)定在預(yù)先設(shè)定的1.01×105Pa。在氣室內(nèi)部的中間與兩端面的軸線方向上設(shè)置了3個(gè)K型熱電偶以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)待測(cè)氣體溫度,并根據(jù)監(jiān)測(cè)值采用PID控制算法對(duì)氣室加熱或制冷,使實(shí)際溫度接近296 K。我們實(shí)驗(yàn)所使用的DFB-LD光源在驅(qū)動(dòng)電流為24 mA,工作溫度為305 K的條件下固有輸出波長(zhǎng)為1.654 μm。將該光源連同負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻和熱電制冷器一同封裝在14引腳的雙列直插式管殼中,實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光源工作溫度的閉環(huán)控制。利用激光器溫度控制器改變光源工作溫度可以實(shí)現(xiàn)粗調(diào)發(fā)射波長(zhǎng)的目的,在此基礎(chǔ)上增大或減小激光器的注入電流即可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射波長(zhǎng)的精密調(diào)節(jié),目的在于使光源發(fā)射光譜的峰值位置更貼近待測(cè)氣體吸收譜線的中心,進(jìn)而獲得更明顯的吸收效果。

頻率為1 kHz的階梯形驅(qū)動(dòng)電流波形使激光器發(fā)射波長(zhǎng)在6 046.5 cm-1到6 047.5 cm-1的波數(shù)范圍內(nèi)往復(fù)變化,實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷氣體紅外吸收的2ν3泛頻帶R(3)譜線的覆蓋。為避免光反饋現(xiàn)象損傷激光器的光敏面,將光隔離器部署在氣室與光源之間,使二者之間的激光單向傳播。激光在氣室中以直射方式前進(jìn),經(jīng)過甲烷吸收而產(chǎn)生強(qiáng)度損耗,在從氣室中射出時(shí)被光分束器分離為主光路(圖1上方)與參考光路(圖1下方)。其中主光路上的光經(jīng)過光纖延遲線后,被送入平衡式光電探測(cè)器的同相輸入端,而參考光路的光經(jīng)過可變?cè)鲆婀馑p器進(jìn)行強(qiáng)度衰減后,被送入平衡式光電探測(cè)器的反相輸入端。兩路光信號(hào)在平衡式光電探測(cè)器內(nèi)進(jìn)行差分放大后,輸出的模擬電壓信號(hào)被16位分辨率的數(shù)據(jù)采集卡換算為數(shù)字量,送入利用Labview軟件編程的PC中作進(jìn)一步處理,最終得到待測(cè)氣體的濃度值。

2 檢測(cè)原理

圖1所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本思路是利用異步雙光路結(jié)構(gòu)和與之配合的平衡放大式光電探測(cè)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的波長(zhǎng)調(diào)制光譜和諧波檢測(cè)技術(shù),構(gòu)造WMS-1f的等價(jià)信號(hào),實(shí)現(xiàn)氣體的量化分析。穿過被測(cè)氣體樣本的激光束被分為主光路和參考光路。由于光纖延遲線的作用,主光路上光束到達(dá)平衡式光電探測(cè)器同相輸入端的時(shí)間落后于參考光束到達(dá)該探測(cè)器反相輸入端的時(shí)間,而激光器驅(qū)動(dòng)電流的周期性改變將此時(shí)間差轉(zhuǎn)化為固定的波長(zhǎng)差。平衡放大式光電探測(cè)器由兩個(gè)相互匹配的光敏二極管和一個(gè)超低噪聲跨導(dǎo)運(yùn)算放大器構(gòu)成。兩路通過同一氣室、發(fā)生同等程度衰減、且瞬時(shí)波長(zhǎng)不同的光強(qiáng)信號(hào)分別入射到平衡放大式光電探測(cè)器的兩個(gè)光敏二極管上被轉(zhuǎn)化為電流,接下來被跨導(dǎo)運(yùn)算放大器差動(dòng)放大,就產(chǎn)生了正比于吸收光譜一階導(dǎo)數(shù)的輸出電壓,此電壓等價(jià)于WMS-1f信號(hào)。由于未主動(dòng)地調(diào)制光源的驅(qū)動(dòng)電流,故而消除了干擾WMS-1f檢測(cè)的鄰頻諧波信號(hào)。但是,光分束器設(shè)計(jì)的不平衡性(分離出的光束強(qiáng)度不相等)以及光在光纖延遲線上的傳輸損耗引入了一個(gè)新的直流偏置信號(hào),通過調(diào)節(jié)參考光路上的可變光衰減器能夠?qū)⒃撈眯盘?hào)最小化。

為表述激光光源波長(zhǎng)調(diào)諧的深度,仿效WMS中的波長(zhǎng)調(diào)制系數(shù)概念,引入調(diào)諧系數(shù)。當(dāng)這種調(diào)諧被限定在一個(gè)較小的波長(zhǎng)范圍內(nèi)時(shí),波長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)電流的變化具有線性關(guān)系,此時(shí)調(diào)諧系數(shù)m的表達(dá)式如下:

(1)

在式(1)中,Δνsweep和Δνgas分別用于表示激光波長(zhǎng)調(diào)諧范圍和被測(cè)氣體目標(biāo)吸收譜線的半峰半寬(HWHM),τ表示兩路光信號(hào)在氣室與探測(cè)器之間傳輸?shù)臅r(shí)間差值,T0代表單次掃描所需時(shí)間。理論上,改變光纖延遲線的長(zhǎng)度可以任意地設(shè)置m值,但實(shí)際中m過大會(huì)加劇波長(zhǎng)掃描過程的非線性化。反之,設(shè)定的m過小又會(huì)降低光電探測(cè)器輸出的信號(hào)幅度,造成檢測(cè)靈敏度的惡化。

在室溫常壓環(huán)境下,吸收譜線的線形可以用Lorentz函數(shù)gL(νin)進(jìn)行描述:

(2)

在表達(dá)式(2)中,νin是激光發(fā)射的瞬時(shí)波長(zhǎng),ν0是氣體吸收譜線的中間位置。就TDLAS-WMS技術(shù)而言,νin被角頻率為ωc的周期性信號(hào)調(diào)制,進(jìn)而gL(νin)可以展開為傅立葉級(jí)數(shù)。其一次項(xiàng)系數(shù)C1的表達(dá)式為:

(3)

Stewart G在利用可調(diào)諧二極管激光光譜和波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)復(fù)原氣體吸收譜線時(shí)指出[15],當(dāng)激光器瞬時(shí)激射波長(zhǎng)νin與氣體吸收峰位置ν0之間滿足如下表達(dá)式時(shí),WMS的傅立葉級(jí)數(shù)一次項(xiàng)系數(shù)獲得正最大值和負(fù)最小值:

(4)

若聯(lián)立求解式(2)～式(4),則C1的峰值僅取決于m。據(jù)此,我們利用MATLAB軟件模擬了一次項(xiàng)系數(shù)C1的正最大值與波長(zhǎng)調(diào)制系數(shù)m之間的關(guān)系曲線。在 將m的范圍設(shè)定為0～10,每次步進(jìn)0.01的條件下,得到的仿真結(jié)果如圖2所示。分析圖2可知,當(dāng)調(diào)制系數(shù)m=0.55時(shí),C1取得正最大值。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)的過程中,我們以此仿真結(jié)果為基礎(chǔ),在氣體濃度不變的情況下,反復(fù)調(diào)節(jié)m值以獲得最大的輸出信號(hào)幅度,最終確定的最佳調(diào)諧系數(shù)為m=0.56。

圖2 WMS傅立葉級(jí)數(shù)一次項(xiàng)系數(shù)的最大值與調(diào)制系數(shù)的關(guān)系

圖3 CH4濃度為5%時(shí),探測(cè)器輸出的原始信號(hào)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在檢測(cè)氣體之前,首先需要記錄激光器的發(fā)射譜,方法如下:將氣室排空,并將平衡放大式光電探測(cè)器的反相輸入端暫時(shí)接地,則其輸出信號(hào)即為激光器的發(fā)射譜。記錄結(jié)束后,對(duì)氣室充入待測(cè)混合氣體,并將探測(cè)器反向輸入端同可變光衰減器的輸出端相連接。為了削弱光分束器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的不平衡性(分束比非嚴(yán)格的1∶1)和光在光纖延遲線上的傳輸損耗對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響,需要對(duì)可變光衰減器的增益進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。

使用圖1所示的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)不同濃度的CH4-N2混合氣體進(jìn)行了濃度測(cè)量。在圖3中,以濃度為5%時(shí)的甲烷樣本為例,給出了數(shù)據(jù)采集卡采集到的實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù),該顯示界面采用Labview軟件編程實(shí)現(xiàn)。當(dāng)狀態(tài)指示燈變亮?xí)r,表示采集卡數(shù)據(jù)采集完畢。此時(shí),Labview軟件前面板的數(shù)據(jù)輸出控件顯示的信號(hào)峰值強(qiáng)度為3.184 633 03,直流偏置約等于0。從曲線形狀來看,平衡式光電探測(cè)器輸出信號(hào)波形的整體輪廓與WMS-1f相似。但是,由于未對(duì)激光器進(jìn)行電流調(diào)制,因此該信號(hào)波形未發(fā)生畸變現(xiàn)象,具體表現(xiàn)為曲線對(duì)稱且無直流偏置。這說明該方法能夠有效地消除常見于WMS-1f檢測(cè)的剩余幅度調(diào)制現(xiàn)象(RAM)。

接下來,以甲烷濃度為自變量,測(cè)量了平衡放大式光電探測(cè)器輸出的信號(hào)峰值Rpeak。觀察圖4給出的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),Rpeak與氣體濃度(500×10-6、0.1%、0.2%、0.5%、1%、2%和5%)具有高度的線性相關(guān)性。采用回歸分析法對(duì)這種線性關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證,得到的擬合曲線與原始數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)R為0.996 7:

y=0.696 91x+0.005 4

(5)

式(5)中,y表示檢測(cè)信號(hào)峰值,x是氣體濃度。

圖4 平衡式光電探測(cè)器的輸出信號(hào)與CH4濃度的關(guān)系

圖5 平衡式光電探測(cè)器的輸出信號(hào)與CH4濃度的關(guān)系

所謂氣體傳感器的靈敏度,即當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度降低至與噪聲功率相等時(shí),該傳感器所能檢測(cè)出的氣體濃度。但是,通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)來準(zhǔn)確地測(cè)得該靈敏度值難度極大,一個(gè)主要原因是痕量氣體配氣時(shí)存在著較大的誤差;此外,在有限次測(cè)量過程中也難以做到令信號(hào)強(qiáng)度恰好與噪聲相等。為克服此困難,我們采用測(cè)量較高濃度氣體樣本時(shí)得到的SNR作為基準(zhǔn),對(duì)傳感器的理論檢測(cè)靈敏度進(jìn)行了推導(dǎo)。圖5 中給出的是對(duì)應(yīng)于500×10-6甲烷樣本的探測(cè)器輸出信號(hào),其峰值為0.028 63,而利用Lorentz光譜吸收線形對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合得到的標(biāo)準(zhǔn)差(1σ)為3.26× 10-4,二者相除得到的SNR約等于98。因此,我們推導(dǎo)得出當(dāng)SNR=1時(shí),此傳感器所能檢測(cè)出的氣體濃度值為5.1×10-6。

4 結(jié)論

本文提出了一種原理簡(jiǎn)單、性價(jià)比高且可操作性強(qiáng)的氣體傳感器。該傳感器以可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)為基礎(chǔ),將異步雙光路結(jié)構(gòu)和平衡放大式光電探測(cè)器搭配使用,使探測(cè)器產(chǎn)生等價(jià)于波長(zhǎng)調(diào)制光譜中的一次諧波的光譜導(dǎo)數(shù)信號(hào)。在14.5 cm的有效吸收路徑長(zhǎng)度、296 K的環(huán)境溫度和1.01×105Pa的總壓強(qiáng)條件下,對(duì)甲烷-氮?dú)饣旌衔镏械募淄檫M(jìn)行了濃度測(cè)量實(shí)驗(yàn),得到的光譜導(dǎo)數(shù)信號(hào)正比于氣體濃度值。并且根據(jù)檢測(cè)500×10-6甲烷氣體獲得的信噪比,推導(dǎo)得出了5.1×10-6的理論檢測(cè)限。與波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)中的一次諧波檢測(cè)相比,本文提出的方法雖然沒有進(jìn)一步提高檢測(cè)靈敏度,但是因?yàn)椴恍枰鲃?dòng)調(diào)制激光器注入電流,因而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于消除了RAM信號(hào),因此可以設(shè)置更高的光電檢測(cè)增益來充分放大弱吸收信號(hào),以此補(bǔ)償系統(tǒng)的SNR。此外,本方法使用的平衡放大式光電探測(cè)器與波長(zhǎng)調(diào)制光譜法中的鎖相放大器相比,成本更低,可操作性更好。需要特別注意的一點(diǎn)是,本次實(shí)驗(yàn)的氣室光程較短,在一定程度上限制了檢測(cè)靈敏度。若采用多次反射技術(shù)進(jìn)一步加大光程,將獲得更為理想的檢測(cè)效果。