可調諧DFB半導體激光器的甲烷檢測傳感器

苑 彬,陳書立

(1.河南職業技術學院 機電工程學院， 鄭州 450046； 2.鄭州大學 電氣工程學院， 鄭州 450001)

0 引 言

甲烷的分子式為CH4，俗稱瓦斯，是結構最簡單的有機物，也是天然氣和煤氣等燃料的主要成分，在地球上儲量豐富，常被用來合成結構更復雜的化工原料[1-2]。同時，甲烷也具有一定的危險性，當人體吸入過量的甲烷時，會使呼吸困難，嚴重時還會發生窒息，而空氣中混合甲烷的濃度范圍在5.0%～15.4%時，碰到明火還能瞬間引起爆炸。在煤礦開采過程中，礦井巷道出現的瓦斯突出，或者在化工生產過程中，甲烷的泄漏都會給工作人員造成極大的危險[3]。另外，由于甲烷為無色無味的氣體，很難被人發現，國內外也先后出現了電化學傳感器和催化型可燃傳感器[4-5]。其中，電化學傳感是利用了氣體與電解液發生氧化還原反應的原理，但這種方法選擇性差，容易受其他氣體干擾。催化型傳感器是利用氣體在涂有催化物的金屬表層燃燒，溫度升高后使電阻值的變化原理，但容易出現中毒現象而增大測量誤差。

近些年，借助紅外光的測量方法被廣泛研究，文獻[6]中通過對ICL激光器進行調制，并提取二次諧波，實現了甲烷濃度的檢測；文獻[7]中采用光電二極管和濾光片產生窄帶光束，并利用雙差分電路和算法計算出了甲烷濃度，驗證了可行性。為進一步提高測量精度和穩定性，本文利用可調諧DFB半導體激光器設計了甲烷濃度檢測傳感器，推導出二次諧波和一次諧波之比與氣體濃度的關系，并重點對微弱信號處理電路進行了設計，最大限度剔除干擾，改善電路的信噪比，提升了測量精度和穩定性。

1 吸收光譜的諧波檢測方法

在沒有外界影響的情況下，氣體的原子處于能量最低的基態，當獲得特定波長的光束照能量時，分子內部會產生運動和躍遷，向高能級躍遷，在該過程中就發生了紅外吸收光譜，穿過氣體的光束強度會減弱，符合朗伯-比爾定律，

I(λ)=I0(λ)e-α(λ)cl

(1)

式中:I0(λ)代表波長為λ的入射光強度；I(λ)代表波長為λ的光束被氣體吸收后的出射光強度；α(λ)代表在波長為λ處的吸收系數；c代表被測氣體濃度；l代表光束在氣室中穿過被測氣體的有效長度[8]。

根據甲烷氣體的分子結構可知，其有4個固定的振動基頻，對應的吸收光譜中心波長分別為3.312、3.433、6.522和7.765 8 μm，通過HITRAN數據庫可知，在中紅外波段的3.312 μm區域具有非常明顯的吸收現象[9]。本文利用諧波檢測技術實現對甲烷濃度的檢測，由于諧波是由非線性負載引起的，而甲烷在3.312 μm處的吸收峰是高斯線形，屬于非線性負載，通過對激光器的驅動電源疊加頻率為f=ω/2π的正弦電流，實現對輸出波長的調制，掃描整個吸收峰，從而產生諧波。此時，光強也被調制，調制后的光束波長λ和光強I(λ)的表達式:

I(λ)=I0(λ)(1+ηsinωt)e-a(λ)cl

(4)

鑒于吸收系數α(λ)很小，實際上α(λ)cl?1，可將式(4)改寫成：

I(λ)=I0(λ)(1+ηsinωt)[1-α(λ)cl]

(5)

為了得到諧波分量，把上式變換成傅里葉級數表達式，其中，一次諧波系數If=I0η，二次諧波的系數I2f=-k2α(λ)clI0，令兩者相除，能夠消除公式中的初始光強I0，從而簡化計算。

(6)

通過紅外光探測器將光信號轉化為電信號進行測量，得到二次諧波和一次諧波的光強之比，而光調制系數η、吸收系數α(λ)、光程l和k2均為已知量，即可求得氣體濃度[10]。

2 甲烷濃度檢測傳感器整體結構

采用可調諧DFB半導體激光器作為光源設計了甲烷濃度檢測傳感器，整體結構如圖1所示。

圖1 甲烷濃度檢測傳感器整體結構

通過控制激光器的溫度和驅動電流，使激光器發射出穩定波長為3.312 μm的光束，借助準直器使光束聚焦，然后穿過長度為40 cm的測量氣室。根據被紅外吸收光譜特性，穿過測量氣室的光束能量會被部分吸收，從而到達紅外探測器的光強減弱，碲鎘汞紅外探測器將光信號轉化為電信號，通過微弱信號處理電路使光強的變化能夠被微處理器測量。為了能夠在碲鎘汞紅外探測器接收端產生諧波信號，利用1 kHz正弦電流疊加到激光器的電源上對輸出波長調制，使光束掃描在波長為3.312 μm處的吸收峰，從而產生諧波信號。再利用微弱信號處理電路對微弱信號進行處理，對一次諧波和二次諧波進行提取，經過ADC轉化后，根據式(6)的推導結果，在微處理器中完成對氣體濃度的求解計算。研制的傳感器在硬件上設計了RS-232通信接口，通過調用函數即可實現配置和數據通信，方便二次開發集成。

3 微弱信號處理電路

從碲鎘汞紅外探測器中輸出的電流十分微弱，而在光譜測量過程中極易受到環境輻射的干擾，同時，光源及紅外探測器內部的噪聲也容易淹沒有用信號，從而增大測量誤差。為了實現高精度的測量，微弱信號處理電路的設計顯得尤為關鍵，需盡可能提高信號處理的抗干擾能力，改善信噪比，將有用的一次諧波和二次諧波信號從噪聲中提取出來，而單純的窄帶濾波很難將諧波信號提取，故本文利用了相關檢測原理設計鎖相放大器，微弱信號處理電路結構如圖2所示。

圖2 微弱信號處理電路結構

3.1 相敏檢波器設計

相敏檢波是借助了相關檢測原理對調制后的交流信號進行處理，提取出同相位和同頻率的有用信號。假設送給相敏檢波器的信號

x(t)=Vscos(ω1+θ1)+Vncosωt

(7)

式中：Vs代表有用信號的幅值;ω1代表角速度;θ1代表相位;Vncosωt代表幅值為Vn的噪聲信號。

假設送給相敏檢波器參考信號

r(t)=Vrcos(ω2t+θ2)

(8)

式中:Vr表示參考信號的幅值;ω2表示角速度;θ2表示相位。

根據相敏檢波原理，信號x(t)和參考信號r(t)相乘，得到：

u(t)=x(t)·r(t)=[Vscos(ω1+θ1)+Vncosωt]·Vrcos(ω2t+θ2)=0.5VsVrcos[(ω1+ω2)t+

(θ1+θ2)]+0.5VsVrcos[(ω1-w2)t+

(θ1-θ2)]+0.5VsVncos[(ω2+ω)t+θ2]+

0.5VsVncos[(ω2-ω)t+θ2]

(9)

經過相敏檢波器后，得到了多個頻率的信號分項。其中，第1項與第3項為和頻分項，在后續處理中可利用低通濾波器將這兩項剔除;第2項為差頻分項屬于低頻信號被保留，因為噪聲的頻率ω具有隨機性，而且在頻域ω2與ω重合的部分非常小，所以第4項大部分也會被濾掉，令ω1=ω2和θ1=θ2，則式(9)可簡化為：

u(t)=x(t)·r(t)=0.5VsVr

(10)

綜上所述，相關檢測方法能夠獲取跟參考信號同頻同相的有用直流信號，而且還消除了噪聲的影響[11]。本文利用高精度平衡調制解調器AD630實現相敏檢波，可恢復在100 dB噪聲背景下的微弱信號。為了簡化計算和系統設計，令參考信號r(t)為幅值Vr，周期T=2π/ω0的方波，并展開成傅里葉級數如下：

(11)

式中，

(12)

(13)

經過相敏檢波后的結果,則

u(t)=x(t)·r(t)=Vscos(ω0t+Δθ)·

(14)

經過低通濾波器后，只保留了n=1時的直流分量，高頻項均被過濾掉，此時，

(15)

因此，當相位差Δθ為0時，可從相敏檢波器輸出幅值為2VsVr/π的直流信號。

3.2 前置放大與帶通濾波

3.2.1 前置放大電路設計

碲鎘汞紅外探測感應紅外光后，輸出非常微弱的電流，為了便于處理，設計了前置放大電路，將電流信號變為成比例的電壓信號，前置放大電路如圖3所示。首先通過前置放大電路將微弱的電流信號變成電壓信號，這里采用了跨阻抗運放芯片OPA380，偏置電流小于10 pA，跨阻抗帶寬大于1 MHz，因為運算放大器OPA380的輸入電阻很大，可認為流向運放2端口的電流Id非常小，也就是說從紅外探測器輸出的電流均流經了R1，那么前置放大器的輸出電壓為Id×R1。由本文的選取設備的參數進行估算，紅外探測器的靈敏度1 A/W，而從DFB激光器到達紅外探測器的光強約為1 μW，可知輸出的電流Id=1 μW×1 A/W=1 μA。由于運放兩個輸入端“虛短”，估算運放的輸出電壓為Id×R1=16 mV。另外，為了避免產生自激振蕩，在反饋電阻R1上并聯了電容C1對相位補償，從而消除由紅外探測器引入的相位延時問題，增加了電路的穩定性。

圖3 前置放大電路

由于反饋電阻R1的阻值大小決定了輸出電壓的大小，但取值也不能過大，過大會無形中引入熱噪聲，淹沒待測的有用信號。由于從前置電路輸出的電壓較小，為了便于后續的濾波和檢波處理，又設計了增益可調的放大電路，本文的重點考慮了增益、噪聲和溫度漂移等指標，選取運放芯片AD620設計了可調放大電路，放大倍數為1+Rp/R3，Rp在這里采用了可調電阻，便于靈活調整放大倍數[12]。

3.2.2 帶通濾波器設計

為了提取一次諧波和二次諧波，采用低噪聲芯片OP2177 作為運放，將二階低通濾波器和二階高通濾波器串聯，設計了一個巴特沃斯型帶通濾波器，電路如圖4所示。當帶通濾波器的中心頻率為1 kHz時，以-3 dB為截止頻率，設計了帶通濾波器的頻率范圍0.8～1.2 Hz，用來提取一次諧波，可避免由于溫漂的影響，使諧波信號落到帶外，從而帶來測量誤差[13]。

圖4 帶通濾波器電路

低通濾波器截止頻率fL和高通濾波器截止頻率fH，應滿足：

(16)

通過查表，取C11=C12=C13=C14=0.01 μF ，可求解出R4=R5=13.3 kΩ；R15=R16=19.9 kΩ；根據巴特沃斯濾波器規則，兩級濾波器的增益和運放輸入電阻應滿足：

(17)

(18)

可求出R6=201.6 kΩ，R7=36.6 kΩ；R17=36 kΩ；R18=44.5 kΩ。

按照同樣的方法，可求出二次諧波(中心頻率為2 kHz，濾波頻率范圍1.8～2.2 kHz)濾波電路中電阻和電容的參數值。

3.3 參考信號電路設計

參考信號電路主要有移相、方波整形和倍頻單元組成，當信號經過帶通濾波器后相位會發生偏移[14]。為了使輸入相敏檢波器的兩路信號同頻同相，設計了相位在能夠在0°-360°范圍內可調節的移相電路，采用幅值為1 V，占空比為50%的方波為參考信號，電路如圖5所示。

圖5 參考信號電路

根據電容端電壓滯后電流的原理，采用運放OP07與RC元件設計了在0°～180°范圍內可調的移相電路，再將兩個移相電路進行串聯實現了在0°～360°范圍可調的移相[15]。方波整形電路選用比較器LM311，在輸出端口7連接上拉電阻，將正弦波轉變成方波，針對一次諧波的處理，參考信號方波直接進入相敏檢測器。對于二次諧波的提取，需要將參考信號方波進行倍頻處理，倍頻電路選用了4位二進制同步加法計數器CD4520，整形后的方波信號進入時鐘輸入端CLK A，在輸出端為Q3～Q0可分別得到16分頻、8分頻、4分頻與2分頻信號，從Q0端口輸出的為2倍頻的方波信號，最終將其送到相敏檢測器。配合移相電路的調節，即可在AD630輸入端得到兩路同頻同相的信號，從而實現對諧波信號的提取。

4 實驗結果與分析

4.1 測量精度測試

研制的甲烷濃度檢測傳感器采用了長度為40 cm、體積為1 L的測量氣室，傳感器通過RS-232串行接口與上位機相連，并在上位機上運行自主編寫的LabVIEW測試程序，實時顯示一次諧波和二次諧波電壓值以及甲烷氣體濃度等信息。首先給傳感器的激光器加電預熱，控制激光器發射出波長為3.312 μm光束，待工作穩定后，對激光器的電源施加1 kHz的正弦電流進行調制，使光束掃描吸收峰，然后分別調節一次諧波和二次諧波提取的移相電路，在上位機程序中觀察，使對應輸出的直流電壓為最大值，完成對微信號處理電路的校正。

在25 ℃的環境下，用高純度的氮氣沖洗氣室，然后再充入20 mL濃度為99.99%的甲烷，待穩定后在上位機每隔10 s讀取結果，包含一次諧波、二次諧波和甲烷氣體濃度值，將5次讀取結果取平均值并記錄。每次測量增加20 mL的甲烷氣體，重復上述過程，完成10次標定和測量，整個過程得到的結果如表1所示。

表1 測量精度實驗結果

從表1可看出，研制的甲烷濃度檢測傳感器能夠與上位機可靠通信，且測量精度非常高，在濃度為0～20%量程，最大測量誤差不超過0.65%，平均測量誤差僅為0.41%，達到了設計的預期。借助最小二乘法對數據進行擬合可得：

(19)

從上式可看出，當氣體濃度為0時，諧波比值不為0，這主要是由于紅外探測器和電路內的噪聲引起，但本文設計的微弱信號處理電路在很大程度上有效抑制了這部分噪聲，所以呈現出了良好的線性關系。

4.2 穩定性測試

傳感器在長時間的工作過程中，可能會出現較大測量誤差，所以穩定性是檢驗傳感器優劣的重要指標。在同樣的實驗室環境下進行了測試，給傳感器測量氣室充入50 mL濃度為99.99%的甲烷，即氣室內甲烷的標稱濃度為5.0%，每隔30 min記錄上位機的測量值，連續記錄10次，得到的實驗結果如表2所示。

表2 穩定性測試結果

根據表2的數據，可以計算出設計的傳感器在5 h內，測量濃度為5%甲烷的穩定度σ為：

(21)

式中:Vmax和Vmin分別表示實測的最大和最小值;Vc表示被測甲烷實際濃度。經過計算，在該穩定度測試中，穩定度為0.458%，表明設計的傳感器在長時間的工作中受外界干擾較小，表現出了良好的穩定性。

5 結 語

根據氣體對紅外光的吸收光譜特性，采用可調諧DFB半導體激光器作為光源設計了甲烷濃度檢測傳感器，并推導出了二次諧波跟一次諧波比值與氣體濃度成正比關系，利用相關檢測原理設計了鎖相放大電路，通過前置放大電路和帶通濾波器的預處理，有效抑制了信道噪聲。利用參考電路產生的同相同頻的方波信號，實現了相敏檢波，并成功提取出一次諧波和二次諧波，在經過直流低通濾波器后使其可測量，從而求解出甲烷氣體濃度。實驗結果表明，設計的甲烷濃度檢測傳感器測量精度高，最大測量誤差不超過0.65%，

平均測量誤差僅為0.41%，即便在長時間工作的情況下，也具有較高的測量穩定性，可廣泛應用于煤礦開采和化工廠關鍵區域的甲烷監測，提高生產作業的安全。