基于TDLAS-WMS的近紅外痕量CH4氣體傳感器*

李 麗

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 人文信息學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000)

基于TDLAS-WMS的近紅外痕量CH4氣體傳感器*

李 麗

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 人文信息學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000)

為了對(duì)煤礦CH4氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，基于混合可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)與波長(zhǎng)調(diào)制光譜(WMS)的檢測(cè)技術(shù)，采用中心波長(zhǎng)為1.65 μm的分布反饋(DFB)激光器，設(shè)計(jì)并研制出痕量CH4氣體傳感器。利用自主設(shè)計(jì)的DFB激光器溫度控制器，通過調(diào)節(jié)激光器工作溫度，進(jìn)而使其發(fā)光光譜掃描CH4氣體的吸收躍遷譜線。同時(shí)利用WMS檢測(cè)技術(shù)將待測(cè)信號(hào)頻率移至高頻區(qū)，減小1/f噪聲。利用該痕量CH4氣體傳感器，在被測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)為(0～106)×10-6的范圍內(nèi)，對(duì)二次諧波信號(hào)進(jìn)行了提取。測(cè)試結(jié)果顯示:在(0～106)×10-6范圍內(nèi)相對(duì)測(cè)量誤差小于7 %，檢測(cè)下限為11×10-6。同時(shí)，研究人員可以通過更換其他波長(zhǎng)的激光器，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他氣體的檢測(cè)。

0 引 言

近年來,人們對(duì)甲烷(CH4)傳感器的研究呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)[1,2]。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通常采用直接光譜吸收法[3,4]，基于寬帶紅外光源檢測(cè)儀的檢測(cè)下限為幾百ppm。但是，傳統(tǒng)的直接光譜吸收法易受局部濃度、光強(qiáng)波動(dòng)和基準(zhǔn)誤差的影響。針對(duì)此問題，本文提出了可調(diào)諧激光二極管光譜吸收法(TDLAS)，即保持分布反饋(DFB)激光器溫度不變又調(diào)制激光器驅(qū)動(dòng)電流。該技術(shù)可克服直接光譜吸收法的上述缺陷，從而滿足復(fù)雜情況下的測(cè)量需求，這也使得該技術(shù)成為目前紅外痕量氣體檢測(cè)領(lǐng)域的常用方法[5～7]。因此，基于CH4在近紅外波段即1.64 μm附近的吸收峰，本文利用DFB激光器設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種近紅外CH4傳感器，利用自主研制的鎖相放大器提取二次諧波信號(hào)以表征氣體濃度信息，對(duì)整機(jī)做了集成，并開展了CH4檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

1 檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)和原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的CH4檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括電學(xué)和光學(xué)部分。電學(xué)部分包括激光器掃描和調(diào)制模塊、激光器溫度控制模塊，殘余幅度調(diào)制消除模塊、鎖相放大模塊和控制模塊等。光學(xué)部分包括激光器(LD，發(fā)射波長(zhǎng)為1.65 μm)、吸收氣室(光程為20 cm，具有氣體輸入口、氣體輸出口、激光輸入口、激光輸出口)、2個(gè)近紅外探測(cè)器(峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為1.9 μm，截止響應(yīng)波長(zhǎng)為2.2 μm，分別用于檢測(cè)通道和參考通道)。ARM7處理器(LPC2148)作為主控制器，用于信號(hào)產(chǎn)生、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。利用自主研發(fā)的溫度控制器和PID反饋算法驅(qū)動(dòng)DFB激光器的熱電制冷器(TEC)，采用波長(zhǎng)調(diào)制光譜(WMS)技術(shù)，將其出射波長(zhǎng)控制在CH4分子的吸收譜帶即1.65 μm附近；同時(shí)將余弦信號(hào)(5 kHz)和鋸齒波信號(hào)(25 Hz)的合成信號(hào)施加到激光器兩端來掃描和調(diào)制其輸出波長(zhǎng)，這將使激光器的出射波長(zhǎng)覆蓋CH4分子的吸收譜帶。

圖1 基于DFB激光器的甲烷檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)Fig 1 Structure of the designed methane detection device based on DFB laser

1.2 關(guān)鍵模塊集成與測(cè)試

1.2.1 DFB激光器的溫度控制器

DFB激光器溫度控制器以LPC2148為控制核心，以TEC為執(zhí)行元件，以熱敏電阻器為溫度傳感元件，搭建了性能優(yōu)異的DFB激光器溫度控制器的硬件電路。DFB激光器溫度控制器的系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 DFB激光器溫度控制器系統(tǒng)組成框圖Fig 2 Constitution block diagram of DFB laser temperature controller system

溫度控制器以D/A模塊和TEC控制芯片組成前向通路，以溫度傳感器信號(hào)采集電路和A/D模塊組成溫度信息采集電路，構(gòu)成了完整的閉環(huán)溫度控制結(jié)構(gòu)?？刂颇K通過A/D模塊獲得溫度傳感器采集放大信息，調(diào)整數(shù)字控制量，數(shù)字控制量由D/A模塊和TEC控制芯片轉(zhuǎn)換為TEC控制電流，控制對(duì)激光器的加熱和制冷。在溫度信息采集電路之外，系統(tǒng)的檢測(cè)電路中還包括電流信息采集電路，使得核心控制器具有監(jiān)控TEC控制電流的能力。當(dāng)TEC電流過大時(shí)，控制器將關(guān)閉TEC控制芯片，以免DFB激光器和TEC受到損傷。

1.2.2 DFB激光器驅(qū)動(dòng)電源

該驅(qū)動(dòng)電源主要包括控制模塊、壓控恒流源模塊、保護(hù)電路模塊等，如圖3所示。

圖3 DFB激光器驅(qū)動(dòng)電源組成框圖Fig 3 Constitution block diagram of DFB laser drive power

控制模塊以LPC2148為核心，用于控制D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)壓控恒流源模塊的直流電壓。壓控恒流源模采用硬件和軟件雙閉環(huán)反饋控制方法。在硬件反饋環(huán)中，利用運(yùn)算放大器深度負(fù)反饋原理來穩(wěn)定環(huán)路增益、提高信噪比、減小非線性失真以及擴(kuò)展通頻帶寬度。在軟件反饋環(huán)中，利用位置式Ziegler-Nichols PID控制算法來消除硬件反饋環(huán)中由于MOS管反向飽和漏電流(漏—柵電流)所引入的實(shí)際電流值與理論值之間的微小差異。在電源紋波抑制中，對(duì)傳統(tǒng)的π型濾波網(wǎng)絡(luò)加以改進(jìn)，利用達(dá)林頓管來對(duì)電容進(jìn)行等效變換，用小電容來產(chǎn)生大電容的濾波效果，同時(shí)新的濾波網(wǎng)絡(luò)還具有延時(shí)軟啟動(dòng)/軟關(guān)閉的作用，這可以避免激光器受到上電或斷電瞬間的浪涌電流沖擊。

1.2.3 鎖相放大器

自主設(shè)計(jì)的鎖相放大器結(jié)構(gòu)如圖4所示，它包括倍頻和移相單元、模擬乘法器單元和低通濾波單元。

圖4 集成的鎖相放大器框圖Fig 4 Block diagram of integrated lock-in amplifier

將5 kHz參考方波信號(hào)送至倍頻和移相單元，產(chǎn)生10 kHz的方波信號(hào)，且其相位可從0°調(diào)節(jié)到180°；利用一種高精度平衡調(diào)制器(AD630)實(shí)現(xiàn)差分信號(hào)u(t)和相位可調(diào)諧的10 kHz方波信號(hào)相乘。乘法器的輸出信號(hào)經(jīng)由一個(gè)八階巴特沃斯低通濾波器做濾波處理，從而得到二次諧波信號(hào)。為了清晰地觀測(cè)到二次諧波信號(hào)，實(shí)驗(yàn)中該低通濾波器的截止頻率被設(shè)置為4 kHz。

2 檢測(cè)原理

DFB激光器出射光束經(jīng)由光纖分束器(FOBS)后分為兩束，一束光穿過氣室并被CH4吸收后到達(dá)探測(cè)器1，轉(zhuǎn)換為檢測(cè)信號(hào)ut；另一束光經(jīng)光衰減器(OA)后直接到達(dá)探測(cè)器2，產(chǎn)生參考信號(hào)ur。利用減法電路得到差分信號(hào)ur-ut，調(diào)整OA的衰減系數(shù)和減法器參數(shù)，可消除激光器的剩余幅度調(diào)制，這將有助于提取二次諧波信號(hào)。

令經(jīng)分光后的光束強(qiáng)度為I0，氣體體積分?jǐn)?shù)為C，吸收光程為L(zhǎng),對(duì)于檢測(cè)通道，到達(dá)探測(cè)器1的光強(qiáng)為

It(t)=I0[1+mu(t)exp[-α(t)CL]≈I0[1+mu(t)][1-α(t)CL].

(1)

對(duì)于參考通道，到達(dá)探測(cè)器2的光強(qiáng)為

It(t)=nI0[1+mu(t)],

(2)

式中 m為光強(qiáng)調(diào)制系數(shù)，n為光衰減器的衰減系數(shù)，α(t)為氣體吸收系數(shù)。通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的兩通道電信號(hào)分別為

(3)

(4)

(5)

(6)

利用傅里葉變換，二次諧波信號(hào)S2(t)可由下式得到

(7)

S2(t)=KeqCA2(t).

(8)

考慮到A2(t)是確定的，其幅度Amp[A2(t)]=A2為常數(shù)，則二次諧波信號(hào)S2(t)的幅度正比于體積分?jǐn)?shù)C，即

Amp[S2(t)]=KeqCA2.

(9)

因此，在滿足式(1)的條件下，Amp[S2(t)]和CH4體積分?jǐn)?shù)C呈線性關(guān)系。

3 氣體檢測(cè)實(shí)驗(yàn)和結(jié)果討論

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

利用2個(gè)質(zhì)量流量控制器對(duì)純凈的N2和CH4進(jìn)行定量混合，可以配備得到不同體積分?jǐn)?shù)的CH4樣品，令樣品氣體穿過氣室就可以測(cè)量其體積分?jǐn)?shù)。實(shí)驗(yàn)中，激光器的工作溫度設(shè)定為17.6 ℃。另外，為了觀測(cè)到良好的二次諧波信號(hào)，10kHz參考信號(hào)的相移角度為+140°。在體積分?jǐn)?shù)為10 %時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的差分信號(hào)和提取得到的二次諧波信號(hào)分別如圖5(a)，(b)所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)得差分信號(hào)與二次諧波信號(hào)波形Fig 5 Practically measured waveform of differential and second harmonic signals

3.2 實(shí)驗(yàn)標(biāo)定

利用集成的TDLAS檢測(cè)儀器，對(duì)體積分?jǐn)?shù)范圍在0 %～100 %的氣體樣品做了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，以此對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的二次諧波信號(hào)幅度Amp[S2(t)]與氣體體積分?jǐn)?shù)C的關(guān)系如圖6所示。可以看到，在較低體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)(0～5 %)，Amp[S2(t)]隨體積分?jǐn)?shù)呈線性增加。然而，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)大于5 %后，二者之間呈非線性關(guān)系，這是由于關(guān)系式exp[-α(t)CL]≈1-α(t)CL在C較大時(shí)不成立所致。

3.3 檢測(cè)精度

為了確定系統(tǒng)的測(cè)量精度，實(shí)驗(yàn)配備了五種體積分?jǐn)?shù)分別為0.01 %，0.1 %，1 %，20 %，40 %的氣體樣品。令氣體流經(jīng)氣室，根據(jù)儀器測(cè)得的二次諧波信號(hào)幅度確定其體積分?jǐn)?shù)大小。將測(cè)得的體積分?jǐn)?shù)與標(biāo)準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行對(duì)比并計(jì)算出相對(duì)誤差，如圖6所示。圖中可見，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)小于0.01 %時(shí)，誤差最大，約為-7 %；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)大于1 %時(shí)，誤差范圍為-3 %～+3 %。

圖6 體積分?jǐn)?shù)分別為0.01 %,0.1 %,1 %,20 % ， 40 %氣體樣品的檢測(cè)誤差Fig 6 Detection errors of five standard gas samples with volume fractions of 0.01 %,0.1 %,1 %,20 % ,40 %

3.4 穩(wěn)定性

由于二次諧波信號(hào)中存在噪聲與干擾，這將對(duì)檢測(cè)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。對(duì)于配備的體積分?jǐn)?shù)為0.1 %和20 %的氣體樣品，分別開展了24 h的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)每小時(shí)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行平均，結(jié)果如圖7所示?？梢钥吹剑w積分?jǐn)?shù)為0.1 %的樣品，測(cè)量的體積分?jǐn)?shù)范圍為0.090 3 %～0.110 0 %，相對(duì)誤差小于7 %；體積分?jǐn)?shù)為20 %的樣品，測(cè)量的體積分?jǐn)?shù)范圍為19.7 %～20.5 %，相對(duì)誤差小于2.5 %。

圖7 2種氣體樣品24 h的體積分?jǐn)?shù)測(cè)量結(jié)果Fig 7 Measurement result of volume fraction for 24 h on two gas samples

4 結(jié) 論

本文基于TDLAS-WMS技術(shù)，利用激射波長(zhǎng)在1.65 μm附近的DFB激光器，實(shí)現(xiàn)了一種近紅外CH4氣體傳感器。研制了溫度控制器和驅(qū)動(dòng)電源，并集成了便攜式鎖相放大器來提取二次諧波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：低體積分?jǐn)?shù)(<100×10-6)

范圍的相對(duì)誤差小于7 %，檢測(cè)下限約為11×10-6,0.1 %和20 %的氣體樣品的波動(dòng)范圍分別小于7 %和2.5 %。

[1] Bai S L,Chen L Y,Yang P C,et al.Sn/In/Ti nanocomposite sensor for CH4detection[J].Sensors and Actuators B,2008,135(1):1-6.

[2] Kock A,Tischner A,Maier T ,et al.Atmospheric pressure fabrication of SnO2-nanowires for highly sensitive CO and CH4detec-tion[J].Sensors and Actuators B,2009,138(1):160-167.

[3] 楊幫華,丁麗娜,張永懷.紅外氣體傳感器中光源恒功率控制電路的設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(5):115-117.

[4] 陳 晨,黨敬民,黃漸強(qiáng),等.高穩(wěn)定強(qiáng)魯棒性DFB激光器溫度控制系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2013,43(4):1004-1010.

[5] 張曉波,陜 皓,劉 麗,等.微氣體傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(1):128-130.

[6] Namjou K,Cai S,Whittaker E A,et al.Sensitive absorption spectroscopy with a room-temperature distributed-feedback quantum-cascade laser[J].Optics Letters，1998, 23(3):219-221.

[7] Durry G,Li J S,Vinogradov I,et al.Near infrared diode laser spectroscopy of C2H2,H2O,CO2and their isotopologues and the application to TDLAS,a tunable diode laser spectrometer for the martian PHOBOS-GRUNT space mission[J].Appl Phys B,2010,99(1/2): 339-351.

Near-infrared trace CH4gas sensor based on TDLAS-WMS*

LI Li

(College of Humanities and Information,Changchun University of Technology,Changchun 130000,China)

In order to monitor CH4gas in real-time under coal-mine,design,research and fabricate trace CH4sensor using distributed feedback(DFB)laser with centre wavelength of 1.65 μm,which is based on tunable diode laser absorption spectroscopy(TDLAS)and wavelength modulation spectroscopy(WMS)detecting technology.The spectrum of DFB laser can scan CH4transition absorption spectrum through adjusting working temperature of DFB laser utilizing independent design DFB laser temperature controller.In order to decrease the 1/fnoise,WMS detection technique is utilized to transfer the detection signal into high frequency region.The trace CH4sensor is applied to extract the second harmonic signal within the detection range of (0～106)×10-6. Detection results show that the relative detection error is less than 7 % within the detection range of (0～106)×10-6and the lowest detection is 11×10-6.Meanwhile,the researchers can detect other gases through replacing lasers with different wavelength.

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0090—04

2014—01—07

國(guó)家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007AA06Z112)

TH 83

A

1000—9787(2014)08—0090—04

李 麗(1981-)，女，吉林省通化人，碩士，講師，研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。