基于TDLAS-WMS的痕量甲烷氣體檢測(cè)儀

劉 洋，吳佳楠，陳玫玫，楊欣華，陳 晨

1. 吉林大學(xué)通信工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012 2. 吉林大學(xué)集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012 3. 吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130061 4. 長(zhǎng)春大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022

基于TDLAS-WMS的痕量甲烷氣體檢測(cè)儀

劉 洋1，吳佳楠4，陳玫玫1，楊欣華2*，陳 晨3*

1. 吉林大學(xué)通信工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012 2. 吉林大學(xué)集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012 3. 吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130061 4. 長(zhǎng)春大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022

甲烷是一種無色、無味、易燃、易爆的氣體，不僅造成煤礦作業(yè)的重大安全隱患，而且又是溫室效應(yīng)的重要?dú)怏w之一，對(duì)于甲烷氣體的監(jiān)測(cè)具有極其重要的意義。采用混合可調(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)，利用甲烷的2v3(第二泛頻帶)帶R(3)支帶吸收譜線，設(shè)計(jì)并研制出痕量甲烷氣體檢測(cè)儀。通過調(diào)諧系數(shù)-0.591 cm-1·K-1，采用改變DFB激光器工作溫度的方式來獲得甲烷在1.654 μm處的最佳吸收譜線。待DFB激光器激射中心譜線選擇后，通過調(diào)節(jié)其注入電流幅值來獲得合適的發(fā)光強(qiáng)度。同時(shí)，結(jié)合頻率調(diào)制技術(shù)將待測(cè)信號(hào)頻率移至高頻區(qū)，減小1/f噪聲。在光學(xué)結(jié)構(gòu)方面，采用有效光程為76 m的herriott氣室，確保對(duì)痕量甲烷氣體進(jìn)行檢測(cè)。利用該痕量甲烷氣體檢測(cè)儀，在被測(cè)氣體濃度為50～5 000 μmol·mol-1的范圍內(nèi)，對(duì)二次諧波信號(hào)進(jìn)行了提取，并利用最小均方誤差準(zhǔn)則分別對(duì)氣體濃度、信噪比的關(guān)系、諧波峰值信號(hào)與氣體濃度的關(guān)系進(jìn)行了線性擬合，最低檢測(cè)限達(dá)到了1.4 μmol·mol-1。實(shí)驗(yàn)表明，諧波波形對(duì)稱性良好，未觀察到強(qiáng)度調(diào)制現(xiàn)象，消除強(qiáng)度調(diào)制等因素對(duì)諧波檢測(cè)的影響。

痕量甲烷；TDLAS-WMS；分布反饋式激光器；二次諧波

引 言

由于甲烷氣體分子光譜在紅外區(qū)域具有“指紋”特征，與其他檢測(cè)技術(shù)相比，TDLAS檢測(cè)技術(shù)具有極高分辨率和較高選擇性[1-3]。近些年采用TDLAS檢測(cè)技術(shù)痕量甲烷氣體檢測(cè)領(lǐng)域的報(bào)道開始不斷出現(xiàn)[4]。

Yufei等采用甲烷的近紅外吸收光譜，利用DFB激光器對(duì)痕量甲烷進(jìn)行了測(cè)量，檢測(cè)濃度下限達(dá)到了1.5 μmol·mol-1[5]。Scherer等對(duì)甲烷、一氧化碳和一氧化二氮的混合氣進(jìn)行了檢測(cè)，其中甲烷氣體濃度檢測(cè)下限達(dá)到了2 μmol·mol-1[6]。國(guó)內(nèi)方面，陳霄采用窄帶DFB激光器結(jié)合TDLAS技術(shù)對(duì)甲烷氣體進(jìn)行了測(cè)量，檢測(cè)下限達(dá)到了50 μmol·mol-1[7]。雖然國(guó)內(nèi)采用單一TDLAS技術(shù)對(duì)甲烷氣體濃度取得一定的成果，但是基于TDLAS-WMS混合檢測(cè)技術(shù)的痕量甲烷氣體檢測(cè)儀卻未見報(bào)道。

本文采用DFB激光器，基于混合TDLAS-WMS檢測(cè)技術(shù)，使其激射光譜掃描甲烷強(qiáng)吸收的2v3(第二泛頻帶)帶R(3)譜線，利用Voigt線形的近似表達(dá)式來對(duì)吸收截面進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)結(jié)合長(zhǎng)光程herriott吸收氣室，提高儀器檢測(cè)靈敏度。該痕量甲烷氣體檢測(cè)儀最低檢測(cè)限達(dá)到了1.4 μmol·mol-1，諧波波形對(duì)稱性良好。

1 直接光譜吸收檢測(cè)原理

本甲烷氣體檢測(cè)儀采用近紅外DFB激光器，結(jié)合差分吸收光譜技術(shù)，對(duì)痕量濃度甲烷進(jìn)行檢測(cè)[8-11]。近紅外DFB激光器在1.654 μm譜線附近的發(fā)光譜帶如圖1所示。

首先，采用恒定DFB激光器注入電流，調(diào)節(jié)其工作溫度，獲得甲烷在近紅外的最佳吸收譜線1.654 μm。然后，恒定其工作溫度，調(diào)節(jié)注入電流改變其發(fā)光強(qiáng)度，從而對(duì)痕量甲烷氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)[12]。

Fig.1 DFB laser spectrum at 1.654 μm

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 系統(tǒng)配置

光路結(jié)構(gòu)與配氣系統(tǒng)如圖2所示，從激光器發(fā)出的光經(jīng)過光纖連接器進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)。為了減少光傳播中發(fā)生的反射損耗，采用光隔離器只允許光進(jìn)行單向傳播，并對(duì)光的能量按照1∶1分束為主光路和參考光路。

Fig.2 Optical path structure and distribution system

參考光路的引入是為了進(jìn)行信號(hào)參比以消除光強(qiáng)波動(dòng)以及其他系統(tǒng)共性噪聲對(duì)檢測(cè)所造成的影響，加可變光衰減器的目的有兩個(gè)：一是為了調(diào)整參考光強(qiáng)，使無氣體時(shí)輸出信號(hào)為零；二是為了對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行必要衰減避免它對(duì)參考探測(cè)器的光敏面造成損傷。主光路光束經(jīng)光耦合器進(jìn)入氣室中，然后再經(jīng)過光線連接器進(jìn)入探測(cè)器轉(zhuǎn)為待處理的電信號(hào)。由于采用的DFB激光器發(fā)光光譜中心波長(zhǎng)為1.654 μm，為了提高甲烷氣體濃度檢測(cè)下限，采用180次全反射結(jié)構(gòu)，有效光程為76 m的herriott氣室。

在配氣方式上，出于精度考慮，選擇了動(dòng)態(tài)配氣的方式。當(dāng)接在氣室上的壓力計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后，此時(shí)表明氣室內(nèi)部接近真空，開啟待測(cè)氣體氣瓶與氮?dú)馄康拈y門，過幾分鐘后，旋轉(zhuǎn)氣室左側(cè)的閥門關(guān)閉真空泵連接口，使氣體自然外排。待氣室上的壓力表讀數(shù)再一次穩(wěn)定時(shí)，表明氣室內(nèi)部的氣體混合比已經(jīng)穩(wěn)定。通過連接在三通上的兩個(gè)流量計(jì)(虛線框內(nèi))來確定N2與待測(cè)氣體的混合比例。

2.2 差分吸收法公式的推導(dǎo)

近紅外DFB激光器激射光束經(jīng)分束器分為能量為1∶1的兩條光束，其中一條光束經(jīng)過herriott氣室照射到探測(cè)器1，輸出電壓信號(hào)為ut；另一條光束經(jīng)過光衰減器照射到探測(cè)器2，輸出電壓作為參考信號(hào)ur。

根據(jù)比爾-朗伯定律，探測(cè)器1的輸入光強(qiáng)為

It(t)=I0[1+mu(t)]exp[-α(t)cL]≈

I0[1+mu(t)][1-α(t)cL]

(1)

其中，I0為分束器輸出其中一條光束光強(qiáng)，c為被測(cè)甲烷氣體濃度，L為有效氣體吸收光程。

同理，探測(cè)器2的輸入光強(qiáng)為

Ir(t)=nI0[1+mu(t)]

(2)

其中，n為光衰減器系數(shù)，m為光強(qiáng)調(diào)制系數(shù)，α(t)為被測(cè)甲烷氣體吸收系數(shù)。則

(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)

從式(8)可以看出，二次諧波信號(hào)的峰峰值與被測(cè)甲烷氣體濃度c成線性比例關(guān)系。

2.3 氣體檢測(cè)精確度

實(shí)驗(yàn)中，利用動(dòng)態(tài)氣體流量計(jì)配備了五種不同濃度的甲烷氣體(0.01%，0.1%，1%，20%和40%)，對(duì)該儀器的氣體濃度檢測(cè)精度進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量誤差如圖3所示。

Fig.3 Methane detection error when its concentration is 0.01%，0.1%，1%，20% and 40%, respectively

從圖3中可以看出，當(dāng)被測(cè)甲烷氣體濃度小于0.1%，檢測(cè)誤差最大值為-0.65 ‰。當(dāng)濃度大于0.1%時(shí)，測(cè)量誤差為±3.5 ‰。

2.4 檢測(cè)穩(wěn)定性

實(shí)驗(yàn)中，電子元器件的白噪聲、1/f噪聲和粉紅噪聲的存在嚴(yán)重影響了本系統(tǒng)的檢測(cè)穩(wěn)定性。為了評(píng)估噪聲對(duì)甲烷氣體濃度的檢測(cè)穩(wěn)定性造成的影響，配備了濃度為0.1%和20%的甲烷氣體樣品，并分別展開了24 h的甲烷氣體濃度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。對(duì)每60 min內(nèi)的測(cè)量結(jié)果取平均值，得到如下測(cè)量結(jié)果。

Fig.4 The detection result of two concentrations of methane during 24 hours

從圖4中可以看出，對(duì)于0.1%濃度的甲烷氣體樣品，它的濃度測(cè)量范圍在0.094 8%～0.104 7%之間，測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差低于5.2%；對(duì)于20%濃度的甲烷氣體樣品，它的濃度測(cè)量范圍在19.79%～20.58%之間，測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差低于2.9%。

2.5 氣體檢測(cè)下限

利用本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在甲烷氣體濃度為50～5 000 μmol·mol-1的范圍內(nèi)，對(duì)二次諧波信號(hào)進(jìn)行了提取。實(shí)驗(yàn)得到的二次諧波信號(hào)幅度Amp[S2(t)]與甲烷氣體濃度的關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)甲烷氣體濃度處于低濃度范圍時(shí)(50～60 μmol·mol-1)，二次諧波信號(hào)幅度與檢測(cè)氣體濃度為線性關(guān)系。當(dāng)氣體濃度超過60 μmol·mol-1后，二者的關(guān)系為非線性，這是因?yàn)楸磉_(dá)式exp[-α(t)cL]≈1-α(t)cL中的近

Fig.5 The relation between second harmonic signal amplitude and methane concentration

似關(guān)系僅僅在被測(cè)氣體濃度較低時(shí)成立，當(dāng)被測(cè)氣體濃度較高時(shí)，該關(guān)系式不成立。

甲烷氣體濃度在50～500 μmol·mol-1時(shí)，定義氣體檢測(cè)儀靈敏度為

0.174 mV·(μmol·mol-1)-1

3 結(jié) 論

痕量甲烷檢測(cè)儀采用TDLAS-WMS檢測(cè)技術(shù)，利用激射波長(zhǎng)為1.654 μm近紅外DFB激光器，掃描甲烷強(qiáng)吸收的2v3(第二泛頻帶)帶R(3)譜線原理的痕量甲烷濃度檢測(cè)儀。同時(shí)結(jié)合三全反射鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)的herriott長(zhǎng)光程氣體吸收氣室，保證甲烷氣體濃度檢測(cè)的高靈敏度。實(shí)驗(yàn)證明，在被測(cè)氣體濃度為50～5 000 μmol·mol-1的范圍內(nèi)，最低檢測(cè)限達(dá)到了1.4 μmol·mol-1。同時(shí)，諧波波形對(duì)稱性良好，未觀察到強(qiáng)度調(diào)制現(xiàn)象，消除強(qiáng)度調(diào)制等因素對(duì)諧波檢測(cè)的影響，為痕量甲烷氣體濃度檢測(cè)提供新的途徑。

[1] Tittel F K, Dong L, Lewicki R, et al. Conference on Lasers and Electro-Optics/Pacific Rim. Optical Society of America, 2011.

[2] Chen C, Newcomb R N, Wang Y D. Appl. Phys. B, 2013, 111(3): 495.

[3] Chan K, Ito H, Inaba H, et al. Applied Optics, 1984, 23(19): 3415.

[4] Dong L, Lewicki R, Liu R, et al. Appl. Phys. B, 2010, 107(2): 275.

[5] Hegenbarth R, Steinmann A, Sarkisov S, et al. Optics Letters, 2012, 37(17): 3513.

[6] Ye W L, Zheng C T, Yu X, et al. Sensors and Actuators B: Chemical, 2011, 155(1): 37.

[7] McManus J B, Zahniser M S, Nelson D D. Applied Optics, 2011, 50(4): A74.

[8] Northern J H, Thompson A W J, Hamilton M L, et al. Appl. Phys. B, 2013: 1.

[9] CHEN Chen, HUANG Jian-qiang, Lü Mo, et al(陳 晨, 黃漸強(qiáng), 呂 墨, 等). Journal of Jilin University·Engineering and Technology Edition(吉林大學(xué)學(xué)報(bào)·工學(xué)版), 2011, 41(6): 1738.

[10] Roller C, Kosterev A A, Tittel F K, et al. Optics Letters, 2003, 28(21): 2052.

[11] Tuzson B, Zeeman M J, Zahniser M S, et al. Infrared Physics & Technology, 2008, 51(3): 198.

[12] CHEN Chen, WANG Biao, LI Chun-guang, et al(陳 晨, 王 彪, 李春光, 等). Spectroscopy and Spectral Analysis(光譜學(xué)與光譜分析), 2014, 34(3): 838.

*Corresponding authors

The Trace Methane Sensor Based on TDLAS-WMS

LIU Yang1, WU Jia-nan4, CHEN Mei-mei1, YANG Xin-hua2*, CHEN Chen3*

1. College of Communication Engineering, Jilin University, Changchun 130012, China

2. State Key Laboratory of Integrated Optoelectronics, College of Electronic Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130012, China

3. College of Instrumentation & Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130061, China

4. College of Computer Science and Technology, Changchun University, Changchun 130022, China

Methane is a colorless, odorless, flammable and explosive gas, which not only is the cause to induce significant security risk in coal mining operation, but also one of the important greenhouse gases, so the monitoring of methane is extremely critical. A trace methane gas sensor is designed and developed using the combination of tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) and wavelength modulation spectroscopy (WMS) detection technology, which is based on the methane R(3) absorption branch in 2v3 second harmonic band. Through tuning parameters -0.591 cm-1·K-1, using the method that change the working temperature of distributed feedback (DFB) laser to obtain the best absorption wavelength of methane at 1.654 μm. When the mid-wavelength of DFB laser is selected, the appropriate emitting intension can be obtained via adjusting the amplitude of inject current of DFB laser. Meanwhile, combining the frequency modulation technology to move the bandwidth of detection signal from low frequency to high frequency to reduce the 1/fnoise. With aspect to the optical structure, utilizing herriott cell with 76 m effective optical path to guarantee the detection of trace methane is successful. Utilizing the proposed trace methane sensor to extract the second harmonic signal of detected methane in the range of 50 to 5 000 μmol·mol-1, and adopting minimum mean square error criterion to fit the relationship between methane concentration and signal noise ratio, harmonic peak signal and methane concentration, respectively. In addition, the minimum detection limit is 1.4 μmol·mol-1. The experiment results show the symmetry of harmonic waveform is good, no intensity modulation, and the factor of intensity-modulated impacts on harmonic detection is eliminated.

Trace Methane; TDLAS- WMS; Distributed feedback Lasers; Second harmonic

May 16, 2014; accepted Sep. 18, 2014)

2014-05-16，

2014-09-18

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2009AA03Z442)資助

劉 洋，1982年生，吉林大學(xué)通信與工程學(xué)院講師 e-mail: liuyang0408@jlu.edu.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail: phoenix_hua2006@163.com; cchen@jlu.edu.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)01-0279-04