基于可調(diào)諧激光吸收光譜的濕度傳感器研究

張可可，陳世哲，趙 強(qiáng)，王 波，閆星魁，王 楷，劉 野

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東青島 266100)

0 引言

濕度是環(huán)境監(jiān)測(cè)中的一個(gè)重要參數(shù)，在氣象、工業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域都有明確標(biāo)準(zhǔn)并需要嚴(yán)格控制，濕度已成為人們普遍關(guān)注的問(wèn)題之一，如何精確、快速地實(shí)現(xiàn)環(huán)境濕度監(jiān)測(cè)已成為一大研究熱點(diǎn)。目前常用溫濕度傳感器的測(cè)濕部分采用濕敏電容[1]，在使用中存在低溫、高濕環(huán)境測(cè)量不準(zhǔn)確，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，高濕褪濕慢等問(wèn)題[2-3]。

近年來(lái)，隨著紅外光譜吸收技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員越來(lái)越認(rèn)識(shí)到它與其他常規(guī)傳感器相比所體現(xiàn)出的大量而突出的優(yōu)點(diǎn)。比如，基于紅外光譜吸收法的激光氣體分析儀無(wú)需采樣預(yù)處理，系統(tǒng)可靠性高，維護(hù)方便；測(cè)量不受背景氣體的交叉干擾，測(cè)量準(zhǔn)確性高[4]；響應(yīng)速度快，可以實(shí)時(shí)、連續(xù)地進(jìn)行測(cè)量；受粉塵與視窗污染的影響小，惡劣工業(yè)環(huán)境適應(yīng)能力大幅增強(qiáng)。

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)屬于紅外光譜氣體檢測(cè)技術(shù)的一種，具有分辨率高、靈敏度高、精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，已成為快速在線(xiàn)氣體濃度檢測(cè)的有效方法之一[5-6]。利用TDLAS技術(shù)測(cè)量環(huán)境濕度測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、不存在高濕褪濕慢等問(wèn)題，具有較好的應(yīng)用前景。

1 檢測(cè)原理

根據(jù)HITRAN 2012分子光譜數(shù)據(jù)庫(kù)[7]，選擇1 392 nm波段的水分子吸收譜線(xiàn)進(jìn)行研究。當(dāng)一束窄帶激光穿過(guò)一定濃度的水汽時(shí)，輸出光強(qiáng)與輸入光強(qiáng)滿(mǎn)足Beer-Lambert定律：

I(v)=I0exp[-α(v)CL]

(1)

式中：I0為輸入光強(qiáng)；v為激光頻率；α(v)為吸收系數(shù)；C為待測(cè)水汽濃度；L為光譜吸收路徑長(zhǎng)度。

利用高頻余弦信號(hào)對(duì)激光頻率進(jìn)行調(diào)制，激光頻率可表示為

v(t)=vc-Δvcosωt

(2)

式中：vc為激光器輸出的中心頻率；Δv為調(diào)制信號(hào)幅度；ω為調(diào)制角頻率。

對(duì)激光頻率進(jìn)行歸一化處理，可得：

(3)

式中：γ為譜線(xiàn)寬度；x0=(vc-v0)/γ；m為波長(zhǎng)調(diào)制系數(shù)，m=Δv/γ。

激光器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由直流分量、低頻三角波信號(hào)和高頻正弦波信號(hào)組成，通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)激光頻率掃描和調(diào)制的同時(shí)會(huì)引起激光功率的變化[8]，激光器的輸出光功率可表示為

I(t)=I0(1+pΩγ-pωmγcosωt)

(4)

式中：pΩ為三角波光功率調(diào)制系數(shù)；pω為正弦波光功率調(diào)制系數(shù)[8]。

在1個(gè)大氣壓附近，水汽吸收線(xiàn)的線(xiàn)型函數(shù)可用洛倫茲線(xiàn)型描述[9]，當(dāng)待測(cè)水汽光譜吸收滿(mǎn)足α(v)LC<<1時(shí)，輸出信號(hào)可表示為

(5)

式中α0為水汽吸收線(xiàn)中心頻率處的吸收系數(shù)。

利用傅里葉級(jí)數(shù)將光譜吸收后的信號(hào)展開(kāi)，二次諧波的峰峰值與待測(cè)水汽濃度成正比，可用來(lái)測(cè)量水汽濃度?？紤]光強(qiáng)調(diào)制的線(xiàn)性和非線(xiàn)性部分的存在，二次諧波的探測(cè)及分析信號(hào)中引入了奇次諧波成分及高次諧波成分，使二次諧波的線(xiàn)型發(fā)生畸變[10]。二次諧波信號(hào)的2個(gè)波谷值是非對(duì)稱(chēng)的[11]，二次諧波的峰峰值可以表示為

(6)

式中：S2,max為二次諧波的波峰值；S2,min1和S2,min2分別為二次諧波的2個(gè)波谷值。

然而，粉塵、視窗污染以及激光器功率衰減變化等因素都會(huì)使透光率發(fā)生變化，進(jìn)而影響測(cè)量得到的二次諧波的峰峰值，消除透光率的影響需找到一個(gè)在透光率發(fā)生變化時(shí)，與二次諧波峰峰值同步、同比例變化的影響因子，以二次諧波峰峰值與該因子相除來(lái)消除透光率變化對(duì)儀器線(xiàn)性度的影響。

目前，常用的方法是一次諧波歸一法[12]，由于一次諧波幅值的平均值與待測(cè)氣體濃度無(wú)關(guān)，與輸入光強(qiáng)成正比，以二次諧波峰峰值和一次諧波平均值的比值作為系統(tǒng)輸出，可以消除激光器功率衰減變化等因素對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響[2]。但是該方法在提取二次諧波信號(hào)的同時(shí)，需同步提取一次諧波信號(hào)，系統(tǒng)需要2路鎖相放大單元，會(huì)增加硬件電路的復(fù)雜程度。

由式(4)，正弦波有效值可以表示為

(7)

由式(7)，正弦波有效值VRMS與輸入光強(qiáng)成正比，與待測(cè)水汽濃度無(wú)關(guān)。二次諧波峰峰值和正弦波有效值的比值可以表示為

(8)

由式(8)，二次諧波峰峰值與正弦波有效值的比值與待測(cè)水汽濃度和吸收路徑長(zhǎng)度成正比，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。

由于二次諧波峰峰值VPP與正弦波有效值VRMS均來(lái)源于高頻調(diào)制正弦波，所受無(wú)論是光照強(qiáng)度變化、暗電流、電路等因素的影響完全同步同比，兩者的比值與光照強(qiáng)度、透光率衰減大小均沒(méi)有關(guān)系，因此，利用正弦波有效值歸一法測(cè)量環(huán)境濕度，以二次諧波峰峰值和正弦波有效值的比值作為系統(tǒng)輸出，可以消除粉塵、視窗污染和激光器功率衰減產(chǎn)生的光強(qiáng)衰減對(duì)濕度測(cè)量的影響。

2 系統(tǒng)仿真

TDLAS濕度檢測(cè)原理框圖如圖1所示，激光器驅(qū)動(dòng)信號(hào)由直流電平、低頻三角波信號(hào)和高頻正弦波信號(hào)疊加而成[13]。發(fā)射激光在吸收氣室內(nèi)產(chǎn)生水汽光譜吸收，對(duì)經(jīng)過(guò)光譜吸收的輸出信號(hào)進(jìn)行光電檢測(cè)，帶通濾波后信號(hào)分為2路，其中一路經(jīng)過(guò)前置放大、鎖相放大和低通濾波提取二次諧波峰峰值信號(hào)，另外一路經(jīng)過(guò)專(zhuān)用有效值處理電路和低通濾波提取正弦波有效值。以二次諧波峰峰值和正弦波有效值的比值作為輸出，可以消除粉塵、視窗污染和激光器功率衰減等因素的影響。經(jīng)過(guò)信號(hào)處理和溫度修正后得到水汽濃度，根據(jù)水汽濃度與該溫度下的飽和水汽濃度計(jì)算得到環(huán)境濕度。

圖1 TDLAS濕度測(cè)量原理框圖

激光器驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形如圖2(a)所示，波形為非對(duì)稱(chēng)的。水汽吸收譜線(xiàn)的吸收系數(shù)如圖2(b)所示；驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)光譜吸收后的信號(hào)波形如圖2(c)所示。

(a)

(b)

(c)圖2 水汽光譜吸收仿真

圖3為鎖相放大后經(jīng)過(guò)低通濾波提取的二次諧波信號(hào)，三角波上升沿的二次諧波信號(hào)在低通后被衰減。由于存在光強(qiáng)幅度調(diào)制，二次諧波的2個(gè)波谷值呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)性。

圖3 低通濾波后的二次諧波信號(hào)

3 硬件實(shí)現(xiàn)

利用TEC、熱敏電阻和VCSEL單管激光器研制穩(wěn)定的激光發(fā)生源，激光器中心波長(zhǎng)為1 392 nm。利用激光器的溫度調(diào)諧和電流調(diào)諧特性，將低頻三角波掃描信號(hào)和高頻正弦波調(diào)制信號(hào)作用在激光器的直流驅(qū)動(dòng)電流上，三角波頻率為40 Hz，正弦波調(diào)制頻率為20 kHz，激光濕度傳感器響應(yīng)頻率為40 Hz，可以實(shí)現(xiàn)高速的濕度測(cè)量[8]。系統(tǒng)利用頻率掃描技術(shù)使激光頻率在待測(cè)水汽吸收峰附近掃描，同時(shí)對(duì)激光頻率進(jìn)行高頻調(diào)制，抑制激光器的1/f噪聲[8,14]。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光穿過(guò)吸收氣室，氣室采用反射式開(kāi)放型氣室，半導(dǎo)體激光器和光電檢測(cè)器置于吸收氣室的同一側(cè)，光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易調(diào)節(jié)[2]。激光濕度傳感器樣機(jī)如圖4所示。

圖4 激光濕度傳感器

正弦波調(diào)制幅度設(shè)置對(duì)應(yīng)譜線(xiàn)展寬為3.1γ，在此時(shí)二次諧波峰峰值幅值取得最大值[15]。在三角波的下降沿進(jìn)行信號(hào)采集，在三角波上升沿進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。利用光電檢測(cè)器接收光譜吸收后的信號(hào)，將信號(hào)分為2路，其中一路經(jīng)過(guò)帶通濾波、鎖相放大、低通濾波提取二次諧波信號(hào)，另一路利用專(zhuān)用有效值處理芯片，提取光譜吸收后的正弦波有效值信號(hào)。圖5、圖6分別為低通濾波前后的二次諧波信號(hào)。

圖5 低通濾波前的二次諧波信號(hào)

圖6 低通濾波后的二次諧波信號(hào)

系統(tǒng)通過(guò)A/D采樣得到二次諧波峰峰值和正弦波有效值，以二者的比值作為系統(tǒng)輸出，抑制粉塵、視窗污染和激光器功率衰減產(chǎn)生的光強(qiáng)衰減對(duì)濕度測(cè)量的影響。吸收氣室設(shè)置溫度探頭，用于測(cè)量環(huán)境溫度，在信號(hào)處理階段對(duì)測(cè)量得到水汽濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度修正，并計(jì)算相對(duì)濕度。相較于二次諧波與一次諧波比值法，該方案只需一路鎖相放大提取電路，電路結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

樣機(jī)完成后，在國(guó)家氣象基本站進(jìn)行了比測(cè)實(shí)驗(yàn)。國(guó)家氣象基本站采用的維薩拉溫濕度傳感器HMP155A，其測(cè)濕部分采用的是聚合物高分子薄膜電容。圖7中給出的是比測(cè)期間的溫濕度測(cè)試數(shù)據(jù)，TDLAS溫濕度傳感器與維薩拉溫濕度傳感器數(shù)據(jù)一致性很好，可以證明該技術(shù)測(cè)量濕度的有效性。由于TDLAS濕度傳感器和維薩拉濕度傳感器所采用的濕度測(cè)量方法不同，二者在響應(yīng)速度上有所區(qū)別，采用TDLAS技術(shù)的激光濕度傳感器對(duì)環(huán)境濕度的變化響應(yīng)速度更快。

圖7 激光濕度傳感器與維薩拉濕度傳感器比測(cè)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文基于可調(diào)整半導(dǎo)體激光光譜吸收技術(shù)，提出利用二次諧波峰峰值和正弦波有效值的比值測(cè)量濕度，相較于二次諧波與一次諧波比值法，該方案只需一路鎖相放大提取電路，電路結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。對(duì)水汽分子光譜吸收過(guò)程和信號(hào)處理過(guò)程進(jìn)行了仿真，搭建了硬件電路，采集二次諧波峰峰值信號(hào)和正弦波有效值信號(hào)，研制了激光溫濕度傳感器樣機(jī)。樣機(jī)在國(guó)家氣象基本站進(jìn)行了比測(cè)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果顯示激光溫濕度傳感器與維薩拉溫濕度傳感器數(shù)據(jù)一致性好，濕度測(cè)量精度高，證明了TDLAS技術(shù)測(cè)量濕度的有效性，為濕度的高速、高精度測(cè)量提供了新的途徑。