基于LD波長調(diào)制的環(huán)境氧氣濃度實時檢測技術＊

鄧遠博，廖曉露，袁 波

（浙江大學 光電信息工程學系，浙江 杭州 310027）

引 言

氧氣是日常工業(yè)生產(chǎn)的重要原料，在很多工業(yè)過程和安全系統(tǒng)中需要監(jiān)測氧氣濃度。此外氧氣在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生和人們的日常生活中也起著重要的作用［1－2］。因此，國內(nèi)外對發(fā)展高效靈敏的氧氣檢測手段有迫切的需求。

常用的傳統(tǒng)氧氣濃度檢測法大致分為電化學法和物理法兩大類，這些傳統(tǒng)方法受限于其檢測原理存在一些不足，比如：電化學法中的氧化鋯氧氣傳感器具有響應速度慢、壽命短的缺點；而物理法中的熱磁式氧氣傳感器則容易受外界電磁場干擾。相比于這些氧氣濃度檢測方法，基于可調(diào)諧激光二極管（TLD）的光譜法具有非接觸、快速和受外界環(huán)境干擾小的優(yōu)點，因而近年來其研究和應用越來越受到人們關注［3－4］。為了減小由于光源波動、電子元件溫度漂移等因素帶來的測量誤差，在已有的基于LD波長調(diào)制的氧氣濃度檢測技術的研究中，大多利用鎖相放大技術對光譜的諧波信號進行探測［5－6］，鎖相放大器的使用一方面使信號處理相對繁瑣，另一方面大大增加了裝置成本。

為此在研究中，摒棄鎖相放大技術，直接運用朗伯－比爾定理，利用氧氣在760nm附近的吸收截面系數(shù)，根據(jù)所測得的相同波長下的單線吸收度直接估計環(huán)境中的氧氣濃度。所提出的方法在實驗裝置上更為簡單，并通過實驗驗證了其測量精度能夠滿足許多場合應用的需要。

1 基本原理與實驗裝置

1.1 基本原理

氧氣在760nm附近存在一個吸收譜帶（即A帶），它幾乎不會受其他氣體的吸收光譜的干擾，所以可以作為氧氣檢測的特征吸收譜帶。因此，研究中使用了760nm的可調(diào)諧激光二極管，通過溫度控制和驅動電流調(diào)制來實現(xiàn)LD的輸出波長在760nm附近進行掃描，以獲得氧氣的吸收光譜。

在實際測量前，首先利用定標方法獲得氧氣760nm附近特定吸收譜線的吸收截面，在測得某一環(huán)境下的吸光度后，再根據(jù)如下所示的朗伯－比爾定律計算出相應的氧氣濃度：

式（1）中，A為吸光度，I和I0分別為吸收后和吸收前光強，L表示光程，C表示濃度，σ表示某個波長下的吸收截面，由公式可看出，在濃度和吸收截面一定的條件下，吸光度和光程成正比。

吸收截面通過測量已知濃度氧氣的吸光度來獲得，而已知狀態(tài)的氧氣濃度可由氣態(tài)方程PV＝nRT推導得到：

式（2）中，濃度C表示為單位體積內(nèi)的分子數(shù)，P、T、V和n分別為氣體的壓強、絕對溫度、體積和物質(zhì)的量，NA和R分別為阿伏加德羅常數(shù)和氣體常數(shù)。將式（2）代入式（1）中得到吸收截面可由以下公式計算得到：

在后面的分析中使用了氣體的摩爾百分比濃度η。如果用于確定氧氣吸收截面的定標氣體與待測氣體環(huán)境相同（即壓強和溫度相同），且定標氣體為100%純氧，那么根據(jù)式（1）、式（2）和式（3）可以得到待測氣體的摩爾百分比濃度為：

1.2 實驗裝置

基于上述基本原理的實驗裝置如圖1（a）所示。經(jīng)溫度和電流調(diào)制后由LD發(fā)出的激光束被分束鏡分為兩束：一束為參考光，它經(jīng)FP標準具后用于波長定標；另一束為探測光，它通過待測氣體。在測量氧氣吸收截面系數(shù)時，待測樣品氣室如圖1（b）所示，它是純氧室；而在測量環(huán)境中氧氣濃度時，待測樣品氣室如圖1（c）所示，探測光直接通過環(huán)境，并經(jīng)過多次反射以增大測量光程。參考光和探測光信號分別由光電探測器接收，并輸入到數(shù)字示波器中，最后根據(jù)朗伯－比爾定律對數(shù)字信號進行處理從而測得氧氣濃度。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental setup

2 實驗結果與分析

在實驗中使用了QPhotonics公司型號為QLD－760－10S的可調(diào)諧激光二極管，二極管的溫度和電流驅動裝置來自Thorlabs公司。首先通過對二極管溫度和電流調(diào)諧特性的測試確定其工作點，然后依次展開對氧氣吸收截面和環(huán)境中氧氣濃度的測試。

2.1 激光二極管的溫度和電流調(diào)諧特性

利用光纖光譜儀對LD輸出波長隨溫度和電流的變化特性進行了測試。

（1）溫度調(diào)諧特性 在60mA驅動電流下調(diào)節(jié)溫度從25℃升高到40℃，變化步距為1℃，在每個溫度下均等待一定時間使溫度穩(wěn)定后再用光譜儀對其輸出波長進行檢測。所測得的LD輸出波長隨溫度的變化關系如圖2（a）所示，其變化具有較好的線性關系，通過計算得到LD的波長隨溫度的變化系數(shù)約為0.31nm／℃。

（2）電流調(diào)諧特性 由于需要利用氧氣的特征吸收譜帶——A帶，所以要求LD能夠工作在760nm附近。根據(jù)上面測得的溫度調(diào)諧特性可以知道最佳工作溫度在32℃左右，因此LD的電流驅動特性在32℃下進行測試。改變驅動電流使其從40mA變化到80mA，變化步長為2mA，在每個驅動電流下檢測其輸出波長，所測得的變化關系如圖2（b）所示。從圖中可以看出，LD的輸出波長和輸出功率隨驅動電流的變化也近似呈線性關系，其變化系數(shù)分別為0.054nm／mA。

根據(jù)圖2的測試結果可以知道，在溫度32℃和驅動電流60mA下，LD的輸出波長在760nm附近，可以用于氧氣特征吸收譜線的測量。實際中使用的溫度為32℃，驅動電流為69.63mA。

圖2 LD輸出波長隨溫度和驅動電流的變化Fig.2 Plots of output wavelength of LD vs temperature and drive current

2.2 氧氣吸收截面的測量

在上述LD的工作點下，用非對稱的三角波調(diào)制驅動電流以實現(xiàn)對氧氣光譜的掃描。

首先測試了整套測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在30min內(nèi)每隔2min對通風狀態(tài)下的光程為18.8m的空氣的吸光度進行了測量，測得吸光度隨時間的波動約為0.69%，波動可能來源于氣體流動和環(huán)境振動。但總體而言，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

然后，利用了純度為100%的氧氣測定了氧氣在760nm處的吸收截面。純氧氣室為1m長的圓柱形氣室，通過排水法在氣室內(nèi)充入壓強為標準大氣壓的純氧，之后在26℃下使用如圖1（a）所示光路測量了純氧的吸光度，并利用式（3）計算得到吸收截面。對吸收截面進行了多次的重復測量，最終得到吸收截面為：

該結果與Newnhanm DA［7］曾經(jīng)測量的氧氣在760nm（13 159cm－1）處的吸收截面系數(shù)基本相符。

2.3 空氣中氧氣濃度的測量

接下來測量了空氣在760nm附近的吸收光譜，使用該光譜計算得到氧氣的吸光度，并利用式（4）計算出氧氣濃度。吸收光譜如圖3所示。

結合2.2節(jié)測定的氧氣吸收截面，下面分別對密閉環(huán)境和通風環(huán)境下的氧氣濃度進行了測量。

（1）密閉環(huán)境下的氧氣濃度

密閉環(huán)境是一個相對密閉不透風的小室，并且在氧氣有消耗（進行一定的人為活動后）的條件下再對氧氣濃度進行測量。分別測量了光程從16m變化到24m（變化步距為1m）下的吸光度，如圖4（a）所示，可以看出吸光度隨光程變化呈良好的線性關系，線性度為0.984。測得吸光度后，再根據(jù)式（4）計算得到氧氣濃度，其摩爾百分比濃度為（19.35±0.38%）。它比流動空氣中氧氣濃度的理論值20.95%要小，這是由于小室的空氣流動性差，在有人為活動后由于呼吸消耗導致氧氣濃度下降。

（2）通風環(huán)境下的氧氣濃度

圖3 氧氣760nm附近的吸收光譜Fig.3 Absorption spectrum of oxygen at 760nm

作為對比，對通風環(huán)境下的氧氣濃度進行了測量，光程從9m變化到18m（變化步距為1m），類似地在測得不同光程下的吸光度后，再根據(jù)（式（4）計算得到氧氣的摩爾百分比濃度。通風環(huán)境下吸光度隨光程的變化關系如圖4（b）所示，也呈現(xiàn)良好的線性關系，其線性度為0.988。通過計算得到通風環(huán)境下的氧氣摩爾百分比濃度為（20.84±0.66）%，該結果與空氣中氧氣濃度的理論值20.95%很接近。

圖4 光度隨光程的變化曲線Fig.4 Plots of absorption vs length

3 系統(tǒng)測量精度分析

綜上所述，根據(jù)如下公式可以估計氧氣濃度的測量誤差：

將相應數(shù)據(jù)代入式（6），則δη／η＝7.622×10－3

4 結 論

提出了一種用于實時測量環(huán)境中氧氣濃度的方法，與傳統(tǒng)的基于LD調(diào)制的氧氣濃度測量技術不同，它通過改變溫度和電流對激光二極管發(fā)射波長進行調(diào)節(jié)，直接運用朗伯－比爾定理，定標測量出氧氣的吸收截面，并根據(jù)氧氣在760nm附近A帶的單線吸光度，能夠方便、實時地測量出環(huán)境中的氧氣濃度。運用該方法，現(xiàn)對氧氣的吸收截面系數(shù)進行了測量，并對密閉環(huán)境和通風環(huán)境下的氧氣濃度進行了檢測。實驗結果表明，該方法具有精度高、線性度好、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。并且，由于該方法的簡單的系統(tǒng)裝置和便捷的數(shù)據(jù)處理和分析，便于基于該原理的檢測儀器的大規(guī)模集成制造。

［1］ 劉 斌，陳同斌，鄭國砥，等.污泥堆肥處理過程中氧氣消耗的動態(tài)變化與分布特征［J］.環(huán)境科學學報，2009，29（5）：968－973.

［2］ 胡定煜，李 浡，戴榮繼，等.模型鼠低氧預適應適宜氧氣濃度研究［J］.中國應用生理學雜志，2010，26（2）：137－141.

［3］ FRISH M B，WHITE M A，ALLEN I G.Handheld laser－based sensor for remote detection of toxic and hazardous gases［J］.SPIE，2000，4199：19－28.

［4］ EBRT V，TEICHERT H，STRAUCH P，etal.Sensitive in situ detection of CO and O2in a rotary kiln based Hazardous waste incinerator using 760nm and new 2.3μm diode lasers［J］.ProceedingsoftheCombustionInstitute，2005，30（1）：1611－1618.

［5］ 張 帥，董鳳忠，張志榮，等.基于可調(diào)諧半導體激光吸收光譜的氧氣測量方法的研究［J］.光譜學與光譜分析，2009，29（10）：2593－2596.

［6］ 崔厚欣，齊汝賓，陳文亮，等.可調(diào)諧激光波長調(diào)制技術測量氧氣濃度［J］.中國激光，2008，35（10）：1558－1563.

［7］ NEWNHAM D A，BALLARD J.Visible absorption cross sections and integrated absorption intensities of molecular oxygen［J］.JournalofGeophysicalResearch，2000，103（22）：28801－28816.