平衡式探測器在吸收光譜導(dǎo)數(shù)檢測中的應(yīng)用*

叢夢龍,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)集成光電子國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,吉林 長春 130012)

大氣污染是世界各國所共同面臨的一個全球性問題,而該問題將會引發(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)測空氣質(zhì)量,對以上痕量氣體的檢測需求越來越多。因?yàn)楹哿繗怏w對環(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,非常適合于對物質(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)時測量,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)動電流或工作溫度來微調(diào)波長,使光源發(fā)射譜逼近待測氣體吸收峰,進(jìn)而獲得理想的檢測效果。

DFB-LD由于受到生長工藝的制約,使其發(fā)射波長被限定在近紅外范圍內(nèi),對應(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[9]和波長調(diào)制光譜(WMS)[10-11]是用于提高DFB-LD光源檢測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)過待測氣體吸收而發(fā)生強(qiáng)度衰減后被一支光電探測器所接收,參考光路未經(jīng)樣本吸收而直接被同樣型號的另一光電探測器采集。通過對兩路信號進(jìn)行差分檢測,可消除原始光強(qiáng)背景,獲得代表氣體濃度的相對光強(qiáng)度衰減量。該技術(shù)的優(yōu)勢在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,分析過程直截了當(dāng)。然而,由于主光路在氣室中傳輸時受到光學(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,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對氣體吸收系數(shù)的調(diào)制,使吸收系數(shù)能夠以傅立葉級數(shù)形式展開。利用相敏檢波技術(shù)可提取傅立葉級數(shù)的某一項(xiàng)系數(shù),即諧波分量。當(dāng)光學(xué)深度較淺時,此諧波分量與氣體濃度值呈正比例關(guān)系。WMS技術(shù)通過波長調(diào)制的方法提升了檢測系統(tǒng)的工作頻率,降低了1/f噪聲,獲得了比雙光路直接檢測更高的檢測靈敏度。但是,該方法在光源驅(qū)動環(huán)節(jié)需要主動調(diào)制激光器的發(fā)射波長,在信號檢測環(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,由于激光器在波長調(diào)制的同時也伴隨著強(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,造成檢測信號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)檢測為例,其輸出信號表達(dá)式包含了吸收系數(shù)傅立葉級數(shù)中的五個分量(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)及其對應(yīng)的相角(ψ1和ψ2)相互作用。為了從檢測得到的諧波信號獲取氣體濃度值,需要對激光器的調(diào)制系數(shù)和相應(yīng)的相角進(jìn)行測量[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和波長調(diào)制光譜技術(shù)的優(yōu)勢相互融合,研制一種性價比高、性能穩(wěn)定且實(shí)現(xiàn)過程相對簡單的光譜吸收式氣體傳感器。該傳感器能夠在不對激光器激射波長實(shí)施電流調(diào)制的前提下,直接構(gòu)造出與波長調(diào)制光譜中WMS-1f等價的吸收光譜的一階導(dǎo)數(shù),并利用該導(dǎo)數(shù)信號實(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)信號采集的波長調(diào)諧系數(shù);接下來,對平衡式探測器[14]輸出的一階光譜導(dǎo)數(shù)信號和與之對應(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,對測量500×10-6濃度樣本所得的結(jié)果進(jìn)行非線性擬合,獲得該次測量的信噪比(SNR),并利用此SNR推導(dǎo)得出信噪比降低為1時的氣體濃度理論檢測限。

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對外接口,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K型熱電偶以實(shí)時監(jiān)測待測氣體溫度,并根據(jù)監(jiān)測值采用PID控制算法對氣室加熱或制冷,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)動電流為24 mA,工作溫度為305 K的條件下固有輸出波長為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)對發(fā)射波長的精密調(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)動電流波形使激光器發(fā)射波長在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器的同相輸入端,而參考光路的光經(jīng)過可變增益光衰減器進(jìn)行強(qiáng)度衰減后,被送入平衡式光電探測器的反相輸入端。兩路光信號在平衡式光電探測器內(nèi)進(jìn)行差分放大后,輸出的模擬電壓信號被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,最終得到待測氣體的濃度值。

2 檢測原理

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器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的波長調(diào)制光譜和諧波檢測技術(shù),構(gòu)造WMS-1f的等價信號,實(shí)現(xiàn)氣體的量化分析。穿過被測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)平衡式光電探測器同相輸入端的時間落后于參考光束到達(dá)該探測器反相輸入端的時間,而激光器驅(qū)動電流的周期性改變將此時間差轉(zhuǎn)化為固定的波長差。平衡放大式光電探測器由兩個相互匹配的光敏二極管和一個超低噪聲跨導(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、且瞬時波長不同的光強(qiáng)信號分別入射到平衡放大式光電探測器的兩個光敏二極管上被轉(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,此電壓等價于WMS-1f信號。由于未主動地調(diào)制光源的驅(qū)動電流,故而消除了干擾WMS-1f檢測的鄰頻諧波信號。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新的直流偏置信號,通過調(diào)節(jié)參考光路上的可變光衰減器能夠?qū)⒃撈眯盘栕钚』?/p>

為表述激光光源波長調(diào)諧的深度,仿效WMS中的波長調(diào)制系數(shù)概念,引入調(diào)諧系數(shù)。當(dāng)這種調(diào)諧被限定在一個較小的波長范圍內(nèi)時,波長與驅(qū)動電流的變化具有線性關(guān)系,此時調(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調(diào)諧范圍和被測氣體目標(biāo)吸收譜線的半峰半寬(HWHM),τ表示兩路光信號在氣室與探測器之間傳輸?shù)臅r間差值,T0代表單次掃描所需時間。理論上,改變光纖延遲線的長度可以任意地設(shè)置m值,但實(shí)際中m過大會加劇波長掃描過程的非線性化。反之,設(shè)定的m過小又會降低光電探測器輸出的信號幅度,造成檢測靈敏度的惡化。

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)射的瞬時波長,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的周期性信號調(diào)制,進(jìn)而gL(νin)可以展開為傅立葉級數(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調(diào)制技術(shù)復(fù)原氣體吸收譜線時指出[15],當(dāng)激光器瞬時激射波長νin與氣體吸收峰位置ν0之間滿足如下表達(dá)式時,WMS的傅立葉級數(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,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,探測器輸出的原始信號

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在檢測氣體之前,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器的反相輸入端暫時接地,則其輸出信號即為激光器的發(fā)射譜。記錄結(jié)束后,對氣室充入待測混合氣體,并將探測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檢測結(jié)果的影響,需要對可變光衰減器的增益進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。

使用圖1所示的檢測系統(tǒng)對不同濃度的CH4-N2混合氣體進(jìn)行了濃度測量。在圖3中,以濃度為5%時的甲烷樣本為例,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,Labview軟件前面板的數(shù)據(jù)輸出控件顯示的信號峰值強(qiáng)度為3.184 633 03,直流偏置約等于0。從曲線形狀來看,平衡式光電探測器輸出信號波形的整體輪廓與WMS-1f相似。但是,由于未對激光器進(jìn)行電流調(diào)制,因此該信號波形未發(fā)生畸變現(xiàn)象,具體表現(xiàn)為曲線對稱且無直流偏置。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,測量了平衡放大式光電探測器輸出的信號峰值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表示檢測信號峰值,x是氣體濃度。

圖4 平衡式光電探測器的輸出信號與CH4濃度的關(guān)系

圖5 平衡式光電探測器的輸出信號與CH4濃度的關(guān)系

所謂氣體傳感器的靈敏度,即當(dāng)信號強(qiáng)度降低至與噪聲功率相等時,該傳感器所能檢測出的氣體濃度。但是,通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)來準(zhǔn)確地測得該靈敏度值難度極大,一個主要原因是痕量氣體配氣時存在著較大的誤差;此外,在有限次測量過程中也難以做到令信號強(qiáng)度恰好與噪聲相等。為克服此困難,我們采用測量較高濃度氣體樣本時得到的SNR作為基準(zhǔn),對傳感器的理論檢測靈敏度進(jìn)行了推導(dǎo)。圖5 中給出的是對應(yīng)于500×10-6甲烷樣本的探測器輸出信號,其峰值為0.028 63,而利用Lorentz光譜吸收線形對實(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,此傳感器所能檢測出的氣體濃度值為5.1×10-6。

4 結(jié)論

本文提出了一種原理簡單、性價比高且可操作性強(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器搭配使用,使探測器產(chǎn)生等價于波長調(diào)制光譜中的一次諧波的光譜導(dǎo)數(shù)信號。在14.5 cm的有效吸收路徑長度、296 K的環(huán)境溫度和1.01×105Pa的總壓強(qiáng)條件下,對甲烷-氮?dú)饣旌衔镏械募淄檫M(jìn)行了濃度測量實(shí)驗(yàn),得到的光譜導(dǎo)數(shù)信號正比于氣體濃度值。并且根據(jù)檢測500×10-6甲烷氣體獲得的信噪比,推導(dǎo)得出了5.1×10-6的理論檢測限。與波長調(diào)制光譜技術(shù)中的一次諧波檢測相比,本文提出的方法雖然沒有進(jìn)一步提高檢測靈敏度,但是因?yàn)椴恍枰鲃诱{(diào)制激光器注入電流,因而簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于消除了RAM信號,因此可以設(shè)置更高的光電檢測增益來充分放大弱吸收信號,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器與波長調(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效果。