基于波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)的在線激光氧氣傳感器

劉 云, 王偉峰, 付作偉

（1.山西省環(huán)境監(jiān)控中心,山西 太原 030024；2.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054；3.中創(chuàng)精儀（天津）科技有限公司,天津 300384）

引 言

氧氣（O2）是人類生存的必須條件,其含量與人體的舒適度、燃料燃燒和安全生產(chǎn)等密切相關(guān)。在低氧環(huán)境中,人們會(huì)感到頭暈、呼吸困難等。作為燃燒過程的必要?dú)怏w,一定濃度的O2能夠使可燃物燃燒更完全,提升能源利用率,從而節(jié)約能源并減少環(huán)境污染。工業(yè)生產(chǎn)時(shí),需對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)的O2濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。例如,煤礦工業(yè)的地下作業(yè)時(shí),礦井中的O2濃度超過安全范圍,就有可能引發(fā)爆炸［1］,嚴(yán)重威脅現(xiàn)場(chǎng)人員的生命安全［2］。因此,實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)氧氣的濃度對(duì)于提高能源利用率、環(huán)境保護(hù)及保障安全生產(chǎn)等方面意義重大。

一直以來(lái),人們對(duì)于O2的檢測(cè)方法進(jìn)行了廣泛研究。根據(jù)檢測(cè)原理差異,主要分為順磁性［3］、原電池［4］、氧化鋯［5］以及光纖［6］等幾種傳感器,這些檢測(cè)方法均涉及化學(xué)反應(yīng),消耗O2的同時(shí)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生較大損耗,在線監(jiān)測(cè)誤差較大。此外,利用化學(xué)方法進(jìn)行氧氣濃度的檢測(cè),靈敏度較低,無(wú)法滿足實(shí)際要求。實(shí)際的工業(yè)燃燒及煤礦開采現(xiàn)場(chǎng),氣體濃度處于不斷變化中,稍有差池可能釀成大禍,故實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)氧氣濃度有助于減少不必要的損失。因此,探索一種能滿足較高時(shí)間分辨率和較高靈敏度的方法來(lái)完成實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)O2濃度的方法十分必要。

隨著激光探測(cè)及光譜分析技術(shù)的不斷發(fā)展［7－8］,考慮到在近紅外波段氧氣的獨(dú)特吸收特征,基于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）的高靈敏度和實(shí)時(shí)快速的特征,本文設(shè)計(jì)制造了一種以TDLAS技術(shù)為理論基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氧氣濃度的傳感器系統(tǒng),能夠滿足開放光路上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的O2濃度,并能滿足穩(wěn)定快速及高靈敏度等檢測(cè)要求。

1 波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)原理

利用波長(zhǎng)調(diào)制光譜（WMS）技術(shù)搭建系統(tǒng)監(jiān)測(cè)痕量氣體的濃度時(shí),可以減弱光強(qiáng)變化和其他環(huán)境因素的影響,故常用于檢測(cè)微弱信號(hào)［9－10］。根據(jù)朗伯－比爾定律,一束調(diào)制后強(qiáng)度為I0（t）的激光信號(hào)穿透吸收系數(shù)為α（v）的待檢測(cè)氧氣樣本時(shí),入射光強(qiáng)I0（t）與透射光強(qiáng)I（t）的關(guān)系可用式（1）表述。

式中：C為待測(cè)樣本的濃度值；L為通過待測(cè)樣本中的入射光的光程。

假定入射光的線寬與氣體吸收線的線寬（本文中所使用的分布反饋式（DFB）激光器的線寬為0.019pm,選擇吸收波段內(nèi)的譜線線寬為2.664pm）,由固定頻率的高頻正弦信號(hào)對(duì)激光器所需的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行調(diào)制,則輸出激光的頻率和強(qiáng)度可以由式（2）和式（3）描述。

式中：v0為中心頻率；vm為頻率調(diào)制的幅度；η為調(diào)制指數(shù)；f＝w/2π為調(diào)制頻率。則可以將公式（1）改寫為式（4）。

假設(shè)光學(xué)薄時(shí),即氣體的吸收和強(qiáng)度調(diào)制非常?。郐粒╲）1且η1］,I（t）的傅里葉展開式可近似為式（5）。

此處,可以忽略高階項(xiàng)。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境為大氣壓環(huán)境下,氣體吸收譜線的線型表述可采用lorentz線型［11］,如式（6）。

式中：α0為純凈氣體在吸收譜線峰值處的吸收系數(shù)；vg和Δv分別為吸收譜線的中心頻率及譜線的半高全寬。

如果將調(diào)制幅度降低至小且吸收很少,則方程（4）可通過泰勒公式展開,高次諧波可忽略不計(jì)。通過吸收后得到的吸收信號(hào)進(jìn)行傅里葉分析處理,從而獲取氣體的吸收譜線。利用傅里葉分析得到的二次分量,待測(cè)氣體的濃度可用式（7）表征。

式中：H2表示吸收信號(hào)的二次諧波幅度。當(dāng)半高全寬Δv、光程L、調(diào)制頻率幅度vm、輸出光強(qiáng)I0及吸光系數(shù)α0等均確定的情況下,待測(cè)樣本氣體的濃度與對(duì)應(yīng)吸收位置二次諧波的大小在數(shù)值上呈正線性相關(guān)。

2 傳感器設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)

為提高傳感器穩(wěn)定性,本文采用垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL（TO5封裝,oclaro生產(chǎn)）作為發(fā)射光源,出射光的中心波長(zhǎng)為760mm。為了實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)掃描,由信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生頻率為200Hz的鋸齒波與10KHz的高頻正弦波疊加后傳輸至驅(qū)動(dòng)激光控制電路,驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)射激光。激光驅(qū)動(dòng)器自身運(yùn)行產(chǎn)生的波紋噪聲低于1μA,所以激光器部分對(duì)頻率的波動(dòng)影響可忽略。此外,自制的激光驅(qū)動(dòng)模塊具備溫度控制功能,保障激光器輸出波長(zhǎng)的抗干擾性。

以TDLAS技術(shù)為理論基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)的氧氣傳感器系統(tǒng)的原理圖見圖1。在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,一束激光經(jīng)過激光準(zhǔn)直器完成準(zhǔn)直并聚焦后進(jìn)入自制的氣體池（一次反射）,入射光束由氣體池內(nèi)部預(yù)置的角反射器原路返回入口端,由硅探測(cè)器（PDA10A,thorlabs）接收經(jīng)氣體吸收后的激光信號(hào),并將出射的激光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),經(jīng)內(nèi)部的自制鎖相放大模塊將電信號(hào)解調(diào)為諧波信號(hào)。從鎖相放大模塊獲得解調(diào)后的2f信號(hào)經(jīng)A/D后傳輸?shù)教幚砥髂K,進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理、結(jié)果顯示和保存等操作。

圖1 O2傳感器原理圖

3 結(jié)果與討論

對(duì)于搭建好的O2傳感系統(tǒng),其特性參數(shù)必須先進(jìn)行校準(zhǔn)工作,以此檢驗(yàn)該系統(tǒng)是否滿足實(shí)際的應(yīng)用要求［11］。首先,使用氣體質(zhì)量流量計(jì)將標(biāo)準(zhǔn)O2氣體分別配制為不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度,即1%、10%、20%、30%、40%和50%,然后分別將其通入至氣體池（長(zhǎng)度：183mm,有效光程：320mm；Φ：72mm×184mm）。當(dāng)通入氣體不含氧氣［w（O2）＝0%,w（N2）＝100%］時(shí),系統(tǒng)內(nèi)部的干擾稱為基線噪聲,鎖相放大器獲得不同濃度吸收信號(hào)的二次諧波信號(hào),減去基線噪聲的二次諧波信號(hào)的結(jié)果,記為該標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下O2的2f信號(hào),則可獲得該標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)氧氣與2f信號(hào)的數(shù)學(xué)關(guān)系,見第56頁(yè)圖2。隨著氧濃度不斷上升,2f信號(hào)的峰值逐漸增大。根據(jù)式（7）,將不同標(biāo)準(zhǔn)濃度的氧氣濃度值與對(duì)應(yīng)的2f信號(hào)做線性擬合處理,獲得圖2中的函數(shù)關(guān)系,故可根據(jù)2f信號(hào)的峰值和線性函數(shù)關(guān)系來(lái)確定氧氣樣本的濃度。

根據(jù)圖2中建立O2傳感器濃度檢測(cè)模型,將儀器預(yù)熱30min,分別再次通入高純N2和空氣,采用長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)的方法驗(yàn)證該傳感器的穩(wěn)定性,結(jié)果見第56頁(yè)圖3。

圖2 不同標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)氧氣的2f信號(hào)幅值與濃度的線性關(guān)系

圖3 測(cè)試結(jié)果

由圖3（a）可知,對(duì)于未通入O2,傳感器顯示O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)值約為0.02%（200ppm）,傳感器響應(yīng)不為0的原因是在激光發(fā)射和接收端微小間隙,因此有很短的光路暴露在空氣中。由于一般檢測(cè)的O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%（10 000ppm）以上,因此這一誤差可忽略,且O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,該誤差所占比重越小。圖3（b）表明,通過本傳感器測(cè)量示值可得O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為20.6%±0.1%,而常溫標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為20.8%。圖4為由N2切換到30%O2所得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)與時(shí)間響應(yīng)曲線。且由圖4曲線可知,儀器在長(zhǎng)時(shí)間工作條件下沒有明顯漂移,且傳感器最大相對(duì)偏差約為0.1%。因此,可以認(rèn)為本文所設(shè)計(jì)并搭建的氧氣傳感器穩(wěn)定性滿足要求。

圖4 由N2切換到30%O2所得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)與時(shí)間響應(yīng)曲線

作為評(píng)價(jià)在線檢測(cè)系統(tǒng)中常用的參數(shù)之一,響應(yīng)時(shí)間的大小通常被用來(lái)評(píng)估儀器和系統(tǒng)的靈敏度。響應(yīng)時(shí)間被定義為：從測(cè)量的特性值產(chǎn)生階躍變化的10%開始記錄,直到該特征值的變化且保持在超過其穩(wěn)態(tài)振幅值的90%這一段范圍內(nèi)所需的時(shí)間。本文的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,先在氣體池內(nèi)充入標(biāo)準(zhǔn)N2,達(dá)到穩(wěn)定后,向本系統(tǒng)中的自制氣體池中沖入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的標(biāo)準(zhǔn)氧氣,并對(duì)獲得的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得到圖4所示標(biāo)準(zhǔn)氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與響應(yīng)時(shí)間曲線,故可以認(rèn)為本O2傳感器系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間約為9s。

Allan方差通常被用來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能。記錄所得allan曲線最低位置的坐標(biāo),取該縱坐標(biāo)數(shù)值記為該傳感器的最低檢測(cè)限,即最佳靈敏度,并取該縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的橫軸坐標(biāo)值記為該系統(tǒng)的最佳積分時(shí)間,故常采用allan方差進(jìn)行系統(tǒng)性能的評(píng)估。本實(shí)驗(yàn)對(duì)10%O2進(jìn)行分析,可以認(rèn)為最佳積分時(shí)間為18s,對(duì)應(yīng)的最低檢測(cè)限為0.007 8,詳見圖5。為了使傳感器系統(tǒng)獲得更低的檢測(cè)限,目前主要有增加激光在氣室內(nèi)的光程長(zhǎng)度以及通過調(diào)整光路減小漂移和噪聲等方法。

圖5 利用allan方差確定測(cè)定O2傳感器的檢測(cè)限和最佳積分時(shí)間

4 結(jié)論

采用中心波長(zhǎng)為760.3nm的VCSEL激光器為光源,電流調(diào)諧覆蓋氧氣位于760nm位置處的很強(qiáng)的吸收譜線,利用波長(zhǎng)調(diào)制光譜（WMS）技術(shù),以扣除背景后的WMS－2f信號(hào)的幅值與濃度的線性函數(shù)關(guān)系為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)組建了一套能在開放光路中同時(shí)滿足實(shí)時(shí)和在線要求的傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)O2濃度。在環(huán)境條件為常溫常壓時(shí),利用自制的氣體池對(duì)該傳感器系統(tǒng)完成了參數(shù)校正。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示,實(shí)驗(yàn)對(duì)于線性度和抗干擾性的要求較高,而氧氣傳感器能同時(shí)滿足,響應(yīng)時(shí)間約為9s,最佳的積分時(shí)間為18s,對(duì)應(yīng)的最低檢測(cè)限為78×10－6。因此,本文搭建的傳感器系統(tǒng)滿足實(shí)際生活中對(duì)環(huán)境中氧濃度的監(jiān)測(cè)需求,同時(shí)能滿足在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中對(duì)氧氣監(jiān)測(cè)提出的高靈敏度、實(shí)時(shí)快速、在線檢測(cè)等多個(gè)要求,并且對(duì)于安全生產(chǎn)、環(huán)保以及綠色能源的開發(fā)使用有著重要的促進(jìn)意義。

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