平衡式探測器在吸收光譜導數檢測中的應用*

叢夢龍,王一丁

(1.內蒙古民族大學物理與電子學院,內蒙古 通遼 028000;2.吉林大學集成光電子國家重點聯合實驗室,吉林 長春 130012)

大氣污染是世界各國所共同面臨的一個全球性問題,而該問題將會引發一系列嚴重后果。例如,因為人類生產和生活所產生的過量溫室效應氣體直接導致了全球氣候變暖。目前CO2、N2O和CH4這三種溫室效應氣體在大氣中所占體積百分比分別是380×10-6、1.8×10-6和0.32×10-6。燃燒礦物燃料、煤以及木制品,制造水泥和土地沙漠化,這些情況都會產生CO2;CH4含量的增加來自燃燒礦物燃料、種植水稻、畜牧業、生物質材料焚燒和垃圾填埋;N2O的主要人為來源是農業和工業,例如己二酸和硝酸的生產。固體廢物以及礦物燃料的燃燒也會造成大氣中N2O濃度的升高。近年來,為了控制工業生產過程和監測空氣質量,對以上痕量氣體的檢測需求越來越多。因為痕量氣體對環境有著重大影響,所以急需開發響應速度快、穩定性好且靈敏度高的氣體檢測技術[1-2]。

可調諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)[3-5]具有選擇性好、穩定度高、抗干擾能力強等優勢,非常適合于對物質進行定性與定量分析。與傳統的化學方法相比,它無需采樣,可以實現在線實時測量,且無催化劑中毒現象。分布反饋式(DFB)二極管激光器(LD)的低成本、窄線寬和結構緊湊[6-7]等特點使其成為應用于TDLAS技術的一種典型光源,它可以通過改變驅動電流或工作溫度來微調波長,使光源發射譜逼近待測氣體吸收峰,進而獲得理想的檢測效果。

DFB-LD由于受到生長工藝的制約,使其發射波長被限定在近紅外范圍內,對應于大多數氣體紅外吸收的泛頻帶和組合頻,因此吸收譜線強度遠弱于基頻帶[8]。雙光路直接檢測[9]和波長調制光譜(WMS)[10-11]是用于提高DFB-LD光源檢測靈敏度的兩種不同方法,二者性能各有優劣:雙光路直接檢測需要將激光器的發射光束一分為二,其中主光路經過待測氣體吸收而發生強度衰減后被一支光電探測器所接收,參考光路未經樣本吸收而直接被同樣型號的另一光電探測器采集。通過對兩路信號進行差分檢測,可消除原始光強背景,獲得代表氣體濃度的相對光強度衰減量。該技術的優勢在于系統結構簡單,分析過程直截了當。然而,由于主光路在氣室中傳輸時受到光學標準具效應的影響,而參考光路未受此影響,導致在差分檢測環節無法消除光學標準具效應的干擾。此外,兩支探測器盡管經過仔細挑選,但實際參數仍存在明顯差異,這也影響了該方法靈敏度的進一步提高;WMS技術采用高頻電流調制激光器發射波長,進而實現對氣體吸收系數的調制,使吸收系數能夠以傅立葉級數形式展開。利用相敏檢波技術可提取傅立葉級數的某一項系數,即諧波分量。當光學深度較淺時,此諧波分量與氣體濃度值呈正比例關系。WMS技術通過波長調制的方法提升了檢測系統的工作頻率,降低了1/f噪聲,獲得了比雙光路直接檢測更高的檢測靈敏度。但是,該方法在光源驅動環節需要主動調制激光器的發射波長,在信號檢測環節需要使用鎖相放大器,這不僅增加了設計難度,亦提高了整體的成本。除此之外,由于激光器在波長調制的同時也伴隨著強度調制(IM)現象[12],而IM的存在使提取出的目標諧波分量與其鄰頻諧波分量相互混疊,造成檢測信號到氣體濃度的回歸分析過程復雜化。以目前常見的采用一次諧波(WMS-1f)歸一化處理的二次諧波(WMS-2f)檢測為例,其輸出信號表達式包含了吸收系數傅立葉級數中的五個分量(H0～H4),且這些分量又與激光器的強度調制系數(i0和i2)及其對應的相角(ψ1和ψ2)相互作用。為了從檢測得到的諧波信號獲取氣體濃度值,需要對激光器的調制系數和相應的相角進行測量[13],實現過程比較繁瑣。

本次研究旨在將雙光路直接檢測和波長調制光譜技術的優勢相互融合,研制一種性價比高、性能穩定且實現過程相對簡單的光譜吸收式氣體傳感器。該傳感器能夠在不對激光器激射波長實施電流調制的前提下,直接構造出與波長調制光譜中WMS-1f等價的吸收光譜的一階導數,并利用該導數信號實現氣體濃度的標定。為檢驗所述理論的效用,在溫度為296 K,壓力為1.01×105Pa的實驗室環境下,測試了若干被氮氣稀釋的甲烷氣體樣本,過程如下:首先,通過仿真模擬和實驗調節相結合的辦法確定最有利于吸收光譜一階導數信號采集的波長調諧系數;接下來,對平衡式探測器[14]輸出的一階光譜導數信號和與之對應的甲烷樣本濃度回歸分析,獲得二者之間的映射關系;最后,以Lorentz函數作為光譜吸收線形的數學模型,對測量500×10-6濃度樣本所得的結果進行非線性擬合,獲得該次測量的信噪比(SNR),并利用此SNR推導得出信噪比降低為1時的氣體濃度理論檢測限。

圖1 實驗系統框圖

1 實驗系統

圖1給出了本次研究的實驗系統框圖。有效吸收路徑為15.4 cm的不銹鋼氣室有三個對外接口,分別連接微型真空泵、電容式壓力計和質量流量控制器(未在圖中標出)。其中微型真空泵負責在每次實驗之間對氣室進行抽真空處理,防止殘留樣本影響后續實驗結果;電容式壓力計用于對氣室中的總壓力進行監視;根據氣壓計的顯示值,調整質量流量控制器來增大或減小氣流速度,使氣室內壓力穩定在預先設定的1.01×105Pa。在氣室內部的中間與兩端面的軸線方向上設置了3個K型熱電偶以實時監測待測氣體溫度,并根據監測值采用PID控制算法對氣室加熱或制冷,使實際溫度接近296 K。我們實驗所使用的DFB-LD光源在驅動電流為24 mA,工作溫度為305 K的條件下固有輸出波長為1.654 μm。將該光源連同負溫度系數熱敏電阻和熱電制冷器一同封裝在14引腳的雙列直插式管殼中,實現對激光光源工作溫度的閉環控制。利用激光器溫度控制器改變光源工作溫度可以實現粗調發射波長的目的,在此基礎上增大或減小激光器的注入電流即可實現對發射波長的精密調節,目的在于使光源發射光譜的峰值位置更貼近待測氣體吸收譜線的中心,進而獲得更明顯的吸收效果。

頻率為1 kHz的階梯形驅動電流波形使激光器發射波長在6 046.5 cm-1到6 047.5 cm-1的波數范圍內往復變化,實現對甲烷氣體紅外吸收的2ν3泛頻帶R(3)譜線的覆蓋。為避免光反饋現象損傷激光器的光敏面,將光隔離器部署在氣室與光源之間,使二者之間的激光單向傳播。激光在氣室中以直射方式前進,經過甲烷吸收而產生強度損耗,在從氣室中射出時被光分束器分離為主光路(圖1上方)與參考光路(圖1下方)。其中主光路上的光經過光纖延遲線后,被送入平衡式光電探測器的同相輸入端,而參考光路的光經過可變增益光衰減器進行強度衰減后,被送入平衡式光電探測器的反相輸入端。兩路光信號在平衡式光電探測器內進行差分放大后,輸出的模擬電壓信號被16位分辨率的數據采集卡換算為數字量,送入利用Labview軟件編程的PC中作進一步處理,最終得到待測氣體的濃度值。

2 檢測原理

圖1所示的實驗系統基本思路是利用異步雙光路結構和與之配合的平衡放大式光電探測器代替傳統的波長調制光譜和諧波檢測技術,構造WMS-1f的等價信號,實現氣體的量化分析。穿過被測氣體樣本的激光束被分為主光路和參考光路。由于光纖延遲線的作用,主光路上光束到達平衡式光電探測器同相輸入端的時間落后于參考光束到達該探測器反相輸入端的時間,而激光器驅動電流的周期性改變將此時間差轉化為固定的波長差。平衡放大式光電探測器由兩個相互匹配的光敏二極管和一個超低噪聲跨導運算放大器構成。兩路通過同一氣室、發生同等程度衰減、且瞬時波長不同的光強信號分別入射到平衡放大式光電探測器的兩個光敏二極管上被轉化為電流,接下來被跨導運算放大器差動放大,就產生了正比于吸收光譜一階導數的輸出電壓,此電壓等價于WMS-1f信號。由于未主動地調制光源的驅動電流,故而消除了干擾WMS-1f檢測的鄰頻諧波信號。但是,光分束器設計的不平衡性(分離出的光束強度不相等)以及光在光纖延遲線上的傳輸損耗引入了一個新的直流偏置信號,通過調節參考光路上的可變光衰減器能夠將該偏置信號最小化。

為表述激光光源波長調諧的深度,仿效WMS中的波長調制系數概念,引入調諧系數。當這種調諧被限定在一個較小的波長范圍內時,波長與驅動電流的變化具有線性關系,此時調諧系數m的表達式如下:

(1)

在式(1)中,Δνsweep和Δνgas分別用于表示激光波長調諧范圍和被測氣體目標吸收譜線的半峰半寬(HWHM),τ表示兩路光信號在氣室與探測器之間傳輸的時間差值,T0代表單次掃描所需時間。理論上,改變光纖延遲線的長度可以任意地設置m值,但實際中m過大會加劇波長掃描過程的非線性化。反之,設定的m過小又會降低光電探測器輸出的信號幅度,造成檢測靈敏度的惡化。

在室溫常壓環境下,吸收譜線的線形可以用Lorentz函數gL(νin)進行描述:

(2)

在表達式(2)中,νin是激光發射的瞬時波長,ν0是氣體吸收譜線的中間位置。就TDLAS-WMS技術而言,νin被角頻率為ωc的周期性信號調制,進而gL(νin)可以展開為傅立葉級數。其一次項系數C1的表達式為:

(3)

Stewart G在利用可調諧二極管激光光譜和波長調制技術復原氣體吸收譜線時指出[15],當激光器瞬時激射波長νin與氣體吸收峰位置ν0之間滿足如下表達式時,WMS的傅立葉級數一次項系數獲得正最大值和負最小值:

(4)

若聯立求解式(2)～式(4),則C1的峰值僅取決于m。據此,我們利用MATLAB軟件模擬了一次項系數C1的正最大值與波長調制系數m之間的關系曲線。在 將m的范圍設定為0～10,每次步進0.01的條件下,得到的仿真結果如圖2所示。分析圖2可知,當調制系數m=0.55時,C1取得正最大值。在實際實驗的過程中,我們以此仿真結果為基礎,在氣體濃度不變的情況下,反復調節m值以獲得最大的輸出信號幅度,最終確定的最佳調諧系數為m=0.56。

圖2 WMS傅立葉級數一次項系數的最大值與調制系數的關系

圖3 CH4濃度為5%時,探測器輸出的原始信號

3 實驗結果與討論

在檢測氣體之前,首先需要記錄激光器的發射譜,方法如下:將氣室排空,并將平衡放大式光電探測器的反相輸入端暫時接地,則其輸出信號即為激光器的發射譜。記錄結束后,對氣室充入待測混合氣體,并將探測器反向輸入端同可變光衰減器的輸出端相連接。為了削弱光分束器設計結構的不平衡性(分束比非嚴格的1∶1)和光在光纖延遲線上的傳輸損耗對檢測結果的影響,需要對可變光衰減器的增益進行精細調節。

使用圖1所示的檢測系統對不同濃度的CH4-N2混合氣體進行了濃度測量。在圖3中,以濃度為5%時的甲烷樣本為例,給出了數據采集卡采集到的實驗原始數據,該顯示界面采用Labview軟件編程實現。當狀態指示燈變亮時,表示采集卡數據采集完畢。此時,Labview軟件前面板的數據輸出控件顯示的信號峰值強度為3.184 633 03,直流偏置約等于0。從曲線形狀來看,平衡式光電探測器輸出信號波形的整體輪廓與WMS-1f相似。但是,由于未對激光器進行電流調制,因此該信號波形未發生畸變現象,具體表現為曲線對稱且無直流偏置。這說明該方法能夠有效地消除常見于WMS-1f檢測的剩余幅度調制現象(RAM)。

接下來,以甲烷濃度為自變量,測量了平衡放大式光電探測器輸出的信號峰值Rpeak。觀察圖4給出的結果可以發現,Rpeak與氣體濃度(500×10-6、0.1%、0.2%、0.5%、1%、2%和5%)具有高度的線性相關性。采用回歸分析法對這種線性關系進行驗證,得到的擬合曲線與原始數據的相關系數R為0.996 7:

y=0.696 91x+0.005 4

(5)

式(5)中,y表示檢測信號峰值,x是氣體濃度。

圖4 平衡式光電探測器的輸出信號與CH4濃度的關系

圖5 平衡式光電探測器的輸出信號與CH4濃度的關系

所謂氣體傳感器的靈敏度,即當信號強度降低至與噪聲功率相等時,該傳感器所能檢測出的氣體濃度。但是,通過實際實驗來準確地測得該靈敏度值難度極大,一個主要原因是痕量氣體配氣時存在著較大的誤差;此外,在有限次測量過程中也難以做到令信號強度恰好與噪聲相等。為克服此困難,我們采用測量較高濃度氣體樣本時得到的SNR作為基準,對傳感器的理論檢測靈敏度進行了推導。圖5 中給出的是對應于500×10-6甲烷樣本的探測器輸出信號,其峰值為0.028 63,而利用Lorentz光譜吸收線形對實驗數據進行非線性擬合得到的標準差(1σ)為3.26× 10-4,二者相除得到的SNR約等于98。因此,我們推導得出當SNR=1時,此傳感器所能檢測出的氣體濃度值為5.1×10-6。

4 結論

本文提出了一種原理簡單、性價比高且可操作性強的氣體傳感器。該傳感器以可調諧二極管激光吸收光譜技術為基礎,將異步雙光路結構和平衡放大式光電探測器搭配使用,使探測器產生等價于波長調制光譜中的一次諧波的光譜導數信號。在14.5 cm的有效吸收路徑長度、296 K的環境溫度和1.01×105Pa的總壓強條件下,對甲烷-氮氣混合物中的甲烷進行了濃度測量實驗,得到的光譜導數信號正比于氣體濃度值。并且根據檢測500×10-6甲烷氣體獲得的信噪比,推導得出了5.1×10-6的理論檢測限。與波長調制光譜技術中的一次諧波檢測相比,本文提出的方法雖然沒有進一步提高檢測靈敏度,但是因為不需要主動調制激光器注入電流,因而簡化了系統結構。由于消除了RAM信號,因此可以設置更高的光電檢測增益來充分放大弱吸收信號,以此補償系統的SNR。此外,本方法使用的平衡放大式光電探測器與波長調制光譜法中的鎖相放大器相比,成本更低,可操作性更好。需要特別注意的一點是,本次實驗的氣室光程較短,在一定程度上限制了檢測靈敏度。若采用多次反射技術進一步加大光程,將獲得更為理想的檢測效果。