基于TDLAS-WMS的近紅外痕量CH4氣體傳感器*

李 麗

(長春工業大學 人文信息學院，吉林 長春 130000)

基于TDLAS-WMS的近紅外痕量CH4氣體傳感器*

李 麗

(長春工業大學 人文信息學院，吉林 長春 130000)

為了對煤礦CH4氣體進行實時監測，基于混合可調諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)與波長調制光譜(WMS)的檢測技術，采用中心波長為1.65 μm的分布反饋(DFB)激光器，設計并研制出痕量CH4氣體傳感器。利用自主設計的DFB激光器溫度控制器，通過調節激光器工作溫度，進而使其發光光譜掃描CH4氣體的吸收躍遷譜線。同時利用WMS檢測技術將待測信號頻率移至高頻區，減小1/f噪聲。利用該痕量CH4氣體傳感器，在被測氣體體積分數為(0～106)×10-6的范圍內，對二次諧波信號進行了提取。測試結果顯示:在(0～106)×10-6范圍內相對測量誤差小于7 %，檢測下限為11×10-6。同時，研究人員可以通過更換其他波長的激光器，實現對其他氣體的檢測。

0 引 言

近年來,人們對甲烷(CH4)傳感器的研究呈逐年增長趨勢[1,2]。為了實現實時監測，通常采用直接光譜吸收法[3,4]，基于寬帶紅外光源檢測儀的檢測下限為幾百ppm。但是，傳統的直接光譜吸收法易受局部濃度、光強波動和基準誤差的影響。針對此問題，本文提出了可調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制激光器驅動電流。該技術可克服直接光譜吸收法的上述缺陷，從而滿足復雜情況下的測量需求，這也使得該技術成為目前紅外痕量氣體檢測領域的常用方法[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激光器設計并實現了一種近紅外CH4傳感器，利用自主研制的鎖相放大器提取二次諧波信號以表征氣體濃度信息，對整機做了集成，并開展了CH4檢測實驗。

1 檢測儀結構和原理

1.1 系統結構

本文設計的CH4檢測裝置結構如圖1所示，包括電學和光學部分。電學部分包括激光器掃描和調制模塊、激光器溫度控制模塊，殘余幅度調制消除模塊、鎖相放大模塊和控制模塊等。光學部分包括激光器(LD，發射波長為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個近紅外探測器(峰值響應波長為1.9 μm，截止響應波長為2.2 μm，分別用于檢測通道和參考通道)。ARM7處理器(LPC2148)作為主控制器，用于信號產生、設備驅動、數據采集和數據處理。利用自主研發的溫度控制器和PID反饋算法驅動DFB激光器的熱電制冷器(TEC)，采用波長調制光譜(WMS)技術，將其出射波長控制在CH4分子的吸收譜帶即1.65 μm附近；同時將余弦信號(5 kHz)和鋸齒波信號(25 Hz)的合成信號施加到激光器兩端來掃描和調制其輸出波長，這將使激光器的出射波長覆蓋CH4分子的吸收譜帶。

圖1 基于DFB激光器的甲烷檢測儀結構Fig 1 Structure of the designed methane detection device based on DFB laser

1.2 關鍵模塊集成與測試

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為執行元件，以熱敏電阻器為溫度傳感元件，搭建了性能優異的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組成框圖如圖2所示。

圖2 DFB激光器溫度控制器系統組成框圖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，以溫度傳感器信號采集電路和A/D模塊組成溫度信息采集電路，構成了完整的閉環溫度控制結構。控制模塊通過A/D模塊獲得溫度傳感器采集放大信息，調整數字控制量，數字控制量由D/A模塊和TEC控制芯片轉換為TEC控制電流，控制對激光器的加熱和制冷。在溫度信息采集電路之外，系統的檢測電路中還包括電流信息采集電路，使得核心控制器具有監控TEC控制電流的能力。當TEC電流過大時，控制器將關閉TEC控制芯片，以免DFB激光器和TEC受到損傷。

1.2.2 DFB激光器驅動電源

該驅動電源主要包括控制模塊、壓控恒流源模塊、保護電路模塊等，如圖3所示。

圖3 DFB激光器驅動電源組成框圖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轉換器產生驅動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反饋控制方法。在硬件反饋環中，利用運算放大器深度負反饋原理來穩定環路增益、提高信噪比、減小非線性失真以及擴展通頻帶寬度。在軟件反饋環中，利用位置式Ziegler-Nichols PID控制算法來消除硬件反饋環中由于MOS管反向飽和漏電流(漏—柵電流)所引入的實際電流值與理論值之間的微小差異。在電源紋波抑制中，對傳統的π型濾波網絡加以改進，利用達林頓管來對電容進行等效變換，用小電容來產生大電容的濾波效果，同時新的濾波網絡還具有延時軟啟動/軟關閉的作用，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

自主設計的鎖相放大器結構如圖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參考方波信號送至倍頻和移相單元，產生10 kHz的方波信號，且其相位可從0°調節到180°；利用一種高精度平衡調制器(AD630)實現差分信號u(t)和相位可調諧的10 kHz方波信號相乘。乘法器的輸出信號經由一個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。為了清晰地觀測到二次諧波信號，實驗中該低通濾波器的截止頻率被設置為4 kHz。

2 檢測原理

DFB激光器出射光束經由光纖分束器(FOBS)后分為兩束，一束光穿過氣室并被CH4吸收后到達探測器1，轉換為檢測信號ut；另一束光經光衰減器(OA)后直接到達探測器2，產生參考信號ur。利用減法電路得到差分信號ur-ut，調整OA的衰減系數和減法器參數，可消除激光器的剩余幅度調制，這將有助于提取二次諧波信號。

令經分光后的光束強度為I0，氣體體積分數為C，吸收光程為L,對于檢測通道，到達探測器1的光強為

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

(1)

對于參考通道，到達探測器2的光強為

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

(2)

式中 m為光強調制系數，n為光衰減器的衰減系數，α(t)為氣體吸收系數。通過光電轉換產生的兩通道電信號分別為

(3)

(4)

(5)

(6)

利用傅里葉變換，二次諧波信號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，則二次諧波信號S2(t)的幅度正比于體積分數C，即

Amp[S2(t)]=KeqCA2.

(9)

因此，在滿足式(1)的條件下，Amp[S2(t)]和CH4體積分數C呈線性關系。

3 氣體檢測實驗和結果討論

3.1 實驗測試

利用2個質量流量控制器對純凈的N2和CH4進行定量混合，可以配備得到不同體積分數的CH4樣品，令樣品氣體穿過氣室就可以測量其體積分數。實驗中，激光器的工作溫度設定為17.6 ℃。另外，為了觀測到良好的二次諧波信號，10kHz參考信號的相移角度為+140°。在體積分數為10 %時，實驗測得的差分信號和提取得到的二次諧波信號分別如圖5(a)，(b)所示。

圖5 實驗測得差分信號與二次諧波信號波形Fig 5 Practically measured waveform of differential and second harmonic signals

3.2 實驗標定

利用集成的TDLAS檢測儀器，對體積分數范圍在0 %～100 %的氣體樣品做了測試實驗，以此對儀器進行標定。實驗測得的二次諧波信號幅度Amp[S2(t)]與氣體體積分數C的關系如圖6所示。可以看到，在較低體積分數范圍內(0～5 %)，Amp[S2(t)]隨體積分數呈線性增加。然而，當體積分數大于5 %后，二者之間呈非線性關系，這是由于關系式exp[-α(t)CL]≈1-α(t)CL在C較大時不成立所致。

3.3 檢測精度

為了確定系統的測量精度，實驗配備了五種體積分數分別為0.01 %，0.1 %，1 %，20 %，40 %的氣體樣品。令氣體流經氣室，根據儀器測得的二次諧波信號幅度確定其體積分數大小。將測得的體積分數與標準體積分數進行對比并計算出相對誤差，如圖6所示。圖中可見，當體積分數小于0.01 %時，誤差最大，約為-7 %；當體積分數大于1 %時，誤差范圍為-3 %～+3 %。

圖6 體積分數分別為0.01 %,0.1 %,1 %,20 % ， 40 %氣體樣品的檢測誤差Fig 6 Detection errors of five standard gas samples with volume fractions of 0.01 %,0.1 %,1 %,20 % ,40 %

3.4 穩定性

由于二次諧波信號中存在噪聲與干擾，這將對檢測穩定性產生影響。對于配備的體積分數為0.1 %和20 %的氣體樣品，分別開展了24 h的檢測實驗，并對每小時的測量結果進行平均，結果如圖7所示。可以看到，體積分數為0.1 %的樣品，測量的體積分數范圍為0.090 3 %～0.110 0 %，相對誤差小于7 %；體積分數為20 %的樣品，測量的體積分數范圍為19.7 %～20.5 %，相對誤差小于2.5 %。

圖7 2種氣體樣品24 h的體積分數測量結果Fig 7 Measurement result of volume fraction for 24 h on two gas samples

4 結 論

本文基于TDLAS-WMS技術，利用激射波長在1.65 μm附近的DFB激光器，實現了一種近紅外CH4氣體傳感器。研制了溫度控制器和驅動電源，并集成了便攜式鎖相放大器來提取二次諧波信號。實驗結果表明：低體積分數(<100×10-6)

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

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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

國家“863”計劃資助項目(2007AA06Z112)

TH 83

A

1000—9787(2014)08—0090—04

李 麗(1981-)，女，吉林省通化人，碩士，講師，研究方向為信號與信息處理。