基于光聲光譜的微量氣體檢測實驗設(shè)計與實現(xiàn)

王曉娜，陳 珂，周新磊，于清旭

（1. 大連理工大學(xué) 物理學(xué)院，遼寧 大連 116024；

2. 大連理工大學(xué) 光電工程與儀器科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116024）

微量氣體檢測技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測、人類疾病的醫(yī)學(xué)呼出氣診斷、植物生理學(xué)研究以及國家安全領(lǐng)域等方面扮演著重要的角色[1-3]。常用的微量氣體檢測技術(shù)主要有氣相色譜技術(shù)、質(zhì)譜技術(shù)、電子氣體傳感技術(shù)、化學(xué)發(fā)光分析技術(shù)及激光光譜技術(shù)等[4-5]。近年來，作為吸收光譜技術(shù)中的一種，氣體光聲光譜技術(shù)因為其超高的檢測靈敏度、快時間響應(yīng)、可連續(xù)采樣、能實時監(jiān)測、以及體積小成本低等優(yōu)點，得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，是微量氣體檢測領(lǐng)域的前沿技術(shù)之一[6-9]。

大連理工大學(xué)光信息與科學(xué)技術(shù)實驗室在微量氣體的光聲光譜檢測技術(shù)方面做了大量的研究工作，并取得了較好的研究成果[10-16]。為將最新科技研究熱點融入教學(xué)，改進已有實驗教學(xué)內(nèi)容，以實驗室的最新研究成果為基礎(chǔ)，為學(xué)生精心設(shè)計了“基于光聲光譜的微量氣體檢測技術(shù)”的實驗教學(xué)項目。本實驗教學(xué)項目將為學(xué)生提供一個新的現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)實驗平臺，能讓學(xué)生從實踐的角度學(xué)習(xí)掌握激光原理、激光技術(shù)、分子光譜和光譜分析等技術(shù)和知識，加深學(xué)生對現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的掌握深度，并培養(yǎng)、訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維與科研能力。

1 光聲光譜原理

光聲光譜氣體檢測技術(shù)基于氣體的光聲效應(yīng)實現(xiàn)對濃度的定量測量，系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，在特定波長的調(diào)制光輻射的作用下，光聲池中的待測氣體分子吸收光能量后被激發(fā)到高能級，在無輻射躍遷過程中將能量轉(zhuǎn)化為平動能，引起氣體溫度和壓強的改變，進而產(chǎn)生聲波信號，即光聲信號[17]。光聲信號的激發(fā)和探測過程是一個電、光、熱、聲的能量轉(zhuǎn)換過程，如圖2所示。

圖1 光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

圖2 光聲信號的激發(fā)和探測過程

系統(tǒng)中傳聲器探測到的光聲信號的大小S可用下式表示：

式中，sm為傳聲器的探測靈敏度，Pl為光聲激發(fā)光功率，F(xiàn)是光聲池的池常數(shù)，c是樣品氣體濃度，α是待測氣體對應(yīng)吸收譜線的吸收系數(shù)。

2 總體設(shè)計方案

光聲光譜微量氣體檢測系統(tǒng)如圖3所示，主要包括中紅外激光光源、光聲池、光學(xué)斬波器、鎖相放大器以及計算機。寬帶可調(diào)諧CO2激光器輸出的紅外激光，經(jīng)過斬波器的強度調(diào)制后耦合至共振式光聲池中；光聲池中的待測氣體分子在調(diào)制激發(fā)光的作用下產(chǎn)生光聲壓力波；根據(jù)傳聲器探測到的光聲信號的幅度反演出光聲池中待測氣體的濃度信息。圖4為該實驗系統(tǒng)的實物圖。

圖3 光聲光譜微量氣體檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 光聲光譜微量氣體檢測系統(tǒng)實物圖

3 主要功能單元

光源、光聲池、控制系統(tǒng)、信號采集與處理系統(tǒng)是光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)的核心部分，它們的性能直接決定了氣體檢測的靈敏度和精度。

3.1 可調(diào)諧CO2激光器

圖5 可調(diào)諧CO2激光器結(jié)構(gòu)示意圖

本實驗中使用實驗室自制的寬帶可調(diào)諧CO2激光器作為光源，其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。CO2激光器主要由諧振腔、氣路控制系統(tǒng)、高壓電源、控制與監(jiān)測系統(tǒng)等組成。諧振腔由超低熱膨脹系數(shù)的殷鋼腔架、放電管、全反鏡、光柵、可調(diào)光闌組成。激光器的放電管由高純度石英玻璃加工制成。兩個陽極處于放電管兩端，陰極在放電管中間。混合氣體經(jīng)過特殊設(shè)計的“蛇形管”后流入放電管中，這種特別的設(shè)計使得氣體沿著放電管的切線方向進入“蛇形管”后，形成一個“旋轉(zhuǎn)的氣體柱”，這樣，氣體能夠得到更充分的冷卻。氣體流經(jīng)放電管，在另一端抽走，此過程中光軸與氣流、電流方向一致。氣體流動的目的是補充新鮮的工作氣體，并排除CO2與電子碰撞時分解出來的CO。激光器采用高壓直流放電激勵的方式。激光電源的輸出電流對激光器的正常工作影響很大，而且當激光電源輸出電流太大時，可導(dǎo)致放電管中氣體溫度上升，從而降低輸出激光的光功率。激光器采用高壓直流放電激勵的方式，放電電流密度和諧振腔內(nèi)氣體壓強存在最佳值，使得輸出功率最大。隨著電流密度的增加，激光上能級激發(fā)速率加快，但此時溫度的升高又會增加激光下能級粒子數(shù)密度，降低激光轉(zhuǎn)換效率，因而存在電流最佳值。同樣，氣體壓強增高時，一方面由于氣體分子密度增加使反轉(zhuǎn)集居數(shù)增加；另一方面，氣體分子間的加速碰撞會阻礙熱量向管壁的傳遞，從而導(dǎo)致氣體溫度升高，降低激光輸出效率，所以也存在最佳值。實驗表明，電流密度與壓強的最佳值幾乎與放電管直徑成反比。實驗中放電電流及氣體壓強的最佳值也作為實驗內(nèi)容的一部分讓學(xué)生自己調(diào)節(jié)、獲得，以加深其對CO2激光器結(jié)構(gòu)及工作原理等知識的理解。

實驗中的待測氣體為乙烯（C2H4），其吸收譜和CO2激光器的輸出光譜圖如圖6所示（圖中C2H4吸收線在上，CO2輻射帶在下）。可以看出，C2H4的吸收帶與 CO2激光器的輻射帶恰好存在重合，因此 C2H4分子可以吸收經(jīng)調(diào)制的CO2激光而激發(fā)產(chǎn)生光聲信號。

圖6 C2H4吸收譜及其與CO2激光器的輻射帶重合情況

3.2 光聲池的設(shè)計

氣體光聲光譜系統(tǒng)中使用的光聲池通常按照工作模式被分為非共振式和共振式兩類。共振式光聲池的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，但聲波的共振增強效應(yīng)和較高的工作頻率對于改善信噪比有顯著的作用，因此能夠獲得更高的氣體檢測靈敏度，并且光聲池中兩端的緩沖室設(shè)計可以大幅減小窗片吸收產(chǎn)生的固體光聲信號，以及從進氣口和出氣口耦合的環(huán)境噪聲的影響，從而可以實現(xiàn)對氣體的連續(xù)流動采樣檢測。

實驗中光聲信號的激發(fā)、累積和拾取是在如圖 7所示的一階縱向共振式光聲池（圖7中的一階縱向共振池）中進行的。該典型設(shè)計以兩端帶有緩沖室的H形腔體結(jié)構(gòu)為主要特征，由于當激光調(diào)制頻率等于光聲池的共振頻率時，光聲信號在光聲池內(nèi)形成駐波，其波腹位于光聲池的中間位置。因此，傳聲器（微音器）安裝于光聲池的中間處。配合光束質(zhì)量較好的相干光源使用，對 C2H4的極限檢測靈敏度可達 10-9量級甚至更高。

光聲池為圓筒狀腔體結(jié)構(gòu)，黃銅材質(zhì)具有導(dǎo)熱系數(shù)高的優(yōu)點。光聲池的入射端配有氟化鈣光學(xué)窗片（圖7中布儒斯特窗），另一端安裝鍍有高反射金膜的反射鏡，使激光在其表面發(fā)生反射，雙程光吸收進一步增強光聲信號的幅度。外圓柱狀腔體中的光聲共振管的共振頻率僅與光聲池的尺寸和結(jié)構(gòu)有關(guān)。針對不同的實驗氣體，共振管的材質(zhì)也各不相同，對于吸附性較強的氣體，聚四氟乙烯材料的共振管較為合適。本實驗所測的氣體為乙烯氣體，沒有強吸附性，因而本文使用噪聲更低的銅材質(zhì)作為共振管（外表面鍍金膜）。共振管的兩端配有緩沖室（圖7中的λ/4陷波濾波器，尺寸：φ50 mm×50 mm），能夠大幅減小流動氣體對光聲測量的影響。光聲池內(nèi)壁經(jīng)拋光處理，可以有效減小因池壁吸收產(chǎn)生的固體光聲效應(yīng)引起的干擾。

圖7 高靈敏度一階縱向共振光聲池典型結(jié)構(gòu)

3.3 激光控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

激光器的控制系統(tǒng)是激光器的重要組成部分，它對于激光器的穩(wěn)定運行及方便學(xué)生操作具有重要意義。采用單片機進行系統(tǒng)的底層控制和監(jiān)測。控制系統(tǒng)主要功能包括：（1）激光工作氣體控制與監(jiān)測；（2）激光電源電流控制與監(jiān)測；（3）諧振腔的控制。圖 8是控制系統(tǒng)的實物圖。

圖8 激光控制系統(tǒng)實物圖

激光工作氣體（CO2）首先經(jīng)過電磁截止閥，主控電路板可以通過繼電器控制電磁截止閥的狀態(tài)。單片機接收到從上位機發(fā)出的設(shè)置某一路氣體流量的命令后，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片即可對氣體質(zhì)量流量控制器進行設(shè)置，以此來控制氣體的流量。此外，通過讀取氣體質(zhì)量流量控制器的輸出電壓值，并將此數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，以實時監(jiān)測氣體的流量。

激光電源是氣體激光器的關(guān)鍵部件之一，其目的在于實現(xiàn)在一定氣壓下，大體積內(nèi)工作氣體的長時間均勻穩(wěn)定的連續(xù)輝光放電，盡可能地提高放電的均勻性和穩(wěn)定性，延長工作氣體的使用壽命，有效地防止弧光放電。本系統(tǒng)中的激光器采用高壓直流放電激勵的方式。激光電源的輸出電流對激光器的正常工作影響很大，而且當激光電源輸出電流太大時，可導(dǎo)致放電管中氣體溫度上升，從而可降低輸出激光的光功率。因此需要對激光電源的輸出電流及放電管的管壓降進行實時有效地監(jiān)控。控制系統(tǒng)可以依靠單片機的自動控制性能，對某些操作進行自動控制與操作，增加對系統(tǒng)控制的靈活性，而且操作人員還可方便地通過計算機控制界面對整個控制系統(tǒng)進行有效的控制。另外，為了保證激光器的穩(wěn)定運行，必須對激光器進行實時的監(jiān)測。本系統(tǒng)中起輝電壓在5000～6000 V之間，工作電流在4～10 mA之間。

諧振腔中光束有橫模和縱模兩種模式。本激光器中，在諧振腔中加入小孔光闌選出基橫模。對于縱模選擇，采用反射光柵作為諧振腔的一個反射鏡，只有某個波長的光束可以在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生振蕩，從而實現(xiàn)單縱模工作，此時諧振腔工作處于自準狀態(tài)，零級為激光譜線的輸出，單片機控制步進電機轉(zhuǎn)動光柵后改變?nèi)肷浣牵纯筛淖兗す庹袷幉ㄩL，從而實現(xiàn)對波長的大范圍調(diào)諧，并且保持激光光束的輸出方向不變。

3.4 數(shù)據(jù)采集和信號處理軟件

采用 LabVIEW 平臺開發(fā)數(shù)據(jù)采集和信號處理軟件，主要完成與單片機的通信、氣路控制、激光電源控制、數(shù)據(jù)采集與信號處理等功能。儀器控制部分包括對激光器放電電流、氣體流量及激光器開關(guān)的控制，控制界面如圖 9(a)所示。數(shù)據(jù)采集與信號處理部分包括對激光器輸出譜線功率及光聲信號的采集，顯示界面如圖 9(b)所示，激光器輸出譜線功率的采集用來對光聲信號做歸一化處理，以降低由于激光輸出功率波動對氣體濃度檢測造成的影響，提高測量精度。

圖9 基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集和信號處理軟件的控制界面和顯示界面

4 實驗數(shù)據(jù)及處理

4.1 調(diào)制頻率的確定

實驗中，首先要求學(xué)生確定最佳調(diào)制頻率，只有當調(diào)制頻率和光聲池的共振頻率相同時才能激發(fā)出最強的聲波信號，提高測試靈敏度。本實驗設(shè)計用于測量微量乙烯（C2H4）氣體，通過調(diào)節(jié)斬波器的斬波頻率，測得光聲信號幅度與斬波頻率的關(guān)系如圖10所示，實驗結(jié)果表明當斬波頻率為1.596 kHz時，可以獲得最大的光聲信號。

圖10 光聲信號幅度與斬波頻率的關(guān)系

4.2 光聲信號與氣體濃度關(guān)系的標定

在最佳調(diào)制頻率確定后，實驗需測試不同濃度的C2H4氣體與其光聲信號幅度的關(guān)系。不同濃度的乙烯氣體用純度為 99.999%的高純氮氣稀釋來獲得，實驗結(jié)果如圖11所示。

圖11 光聲信號幅度與乙烯體積分數(shù)的關(guān)系

線性擬合結(jié)果表明，標定的乙烯氣體的線性度均在 0.999以上，從而在實際測量中，根據(jù)檢測到的光聲信號可以反推出對應(yīng)C2H4濃度。

5 結(jié)語

本文依據(jù)大連理工大學(xué)光信息科學(xué)與技術(shù)實驗室的最新科研成果，設(shè)計了一套全新的實驗教學(xué)系統(tǒng)——光聲光譜微量氣體檢測。該實驗教學(xué)項目更新并充實了現(xiàn)有實驗教學(xué)內(nèi)容，將最前沿的科技研究熱點問題融入教學(xué)，很好地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識的積極性和主動性。本文的研究希望能為各兄弟院校在實驗教學(xué)方面提供有益的參考。