激光二極管吸收光譜結(jié)合鎖相放大的氧氣濃度檢測技術(shù)

激光二極管吸收光譜結(jié)合鎖相放大的氧氣濃度檢測技術(shù)

1可調(diào)諧激光在非織造材料中的應(yīng)用在許多工業(yè)過程和安全系統(tǒng)中，有必要監(jiān)測氧氣濃度，如油擠出裝置（氣體泄漏監(jiān)測）、天然氣儲存系統(tǒng)和解離檢測器。目前用于檢測氧氣的傳感器大多通過其探頭的電阻或電容變化來測定氧氣濃度,易受外界電磁干擾,且在易燃易爆環(huán)境存在安全隱患。而對于半導(dǎo)體氣敏元件,它結(jié)構(gòu)簡單、實用方便,但不適合對氣體進行精確的分析,多用于粗略鑒別和定性分析。此外還有一類光譜吸收式的氣體傳感器,但光源光譜的寬度和光強因素又限制了它的應(yīng)用。由于氧氣吸收強度比大氣中其他氣體低很多,所以利用傳統(tǒng)光源的光譜吸收法檢測存在很大困難。隨著激光技術(shù)的發(fā)展,激光作為檢測光源有非常大的優(yōu)勢?？烧{(diào)諧激光采用波長調(diào)制并對吸收信號進行二次諧波處理是近年來發(fā)展起來的一種新型的激光光譜分析法,已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境檢測、大氣科學(xué)、痕量分析、光譜測量等領(lǐng)域[6,7,8,9,10,11,12,13,14]。J.Wang等利用可調(diào)諧激光進行氧氣的檢測,但主要在實驗室階段。本文提出了一種可調(diào)諧激光二極管吸收光譜法結(jié)合鎖相放大的檢測技術(shù)。2波長調(diào)制譜檢測可調(diào)諧激光二極管技術(shù)是利用半導(dǎo)體二極管激光的波長掃描和電流調(diào)諧特性對氣體進行測量的一種技術(shù)。激光二極管的輸出波長隨電流的變化而變化,因此可通過改變驅(qū)動電流的方法使輸出波長變化而掃描氧氣吸收峰。激光二極管調(diào)制后的驅(qū)動電流為式中ω為調(diào)制頻率,i0為光源工作時所需的電流,Δi為高頻調(diào)制電流信號的幅值。當調(diào)制頻率低于激光輸出的半寬(通常為幾十兆赫茲)時稱為波長調(diào)制光譜(WavelengthModulationSpectroscopy,WMS),當調(diào)制頻率與激光輸出頻率的半寬相當或者大于激光輸出頻率半寬時稱為頻率調(diào)制光譜(FrequencyModulationSpectroscopy,FMS)。在波長調(diào)制光譜中,通常輸入電流以50～200Hz的頻率進行掃描氣體的吸收峰,另外在掃描電流上還要疊加一個小幅度的正弦調(diào)制信號(10～50kHz)。由含有調(diào)制信號的電流驅(qū)動后,輸出激光的瞬時頻率和光強分別為式中v0為激光的中心頻率,a為輸出激光頻率變化的幅度,為平均光強,ΔI為光強的變化幅度。由Lambert-Beer定律可知,頻率為v時的檢測光強為式中I0是頻率為v時的原始光強,L為光程長,σ(v)是頻率為v時的氣體吸收截面,N為氣體濃度。則結(jié)合(2)～(4)式,可得檢測信號n次諧波的振幅為從(5)式可見,諧波信號與吸收氣體的濃度N成正比,通過檢測諧波信號可以得到氣體濃度。3激光譜分析系統(tǒng)的設(shè)計3.1檢測波長的選擇根據(jù)可調(diào)諧激光掃描光譜的原理和氧氣濃度檢測的特性,檢測系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)的光源驅(qū)動由兩部分組成,一部分為溫度控制,另一部分為驅(qū)動電流控制。溫度控制由溫度傳感器和控制算法來實現(xiàn),其控制精度為0.02℃。電流控制由疊加在直流信號的鋸齒波掃描信號和小幅度的高頻正弦信號組成,同時高頻正弦信號送至鎖相放大器作為同步信號進行鎖相放大檢測。光源發(fā)出的激光通過準直光路進行準直后被分光系統(tǒng)分為三路信號,其中一路由波長計進行波長的監(jiān)測,第二路通過參比氣室后進行檢測,第三路進入測量氣室,由被測氣體吸收后通過光電檢測器檢測。其中參比氣室中通入已知濃度的被測氣體,測量氣室設(shè)計成多次反射型。本文中,測量氣室的實際有效光程為3m。因氧氣濃度的光譜吸收較弱,屬于微弱信號檢測,所以采用鎖相放大的檢測方式提高信噪比。鎖相放大選擇頻率為調(diào)制正弦信號的二次諧波信號,這是因為對于一個輸出功率與注入電流成正比的理想的激光二極管,其2f(二次諧波)和更高諧波的殘余調(diào)幅(RAM)信號為0,所以本文選擇氧氣吸收的2f信號分析處理。參比氣室的主要作用是將激光頻率鎖定在吸收線的中心,只有主動鎖定于吸收線才能得到足夠的系統(tǒng)穩(wěn)定性。通常在參比氣室中充入已知高濃度的氧氣,通過調(diào)節(jié)激光二極管的驅(qū)動電流,使所選擇的測量波長處于合適的位置,并將該位置存入單片機內(nèi)存。當驅(qū)動電流產(chǎn)生漂移后,激光的輸出波長將發(fā)生變化,導(dǎo)致氧氣吸收峰的位置改變,通過對比前后兩次的吸收峰位置,得到一個反饋信號,該反饋信號自動去控制激光器的驅(qū)動電流,使其增大或者減小,從而使得吸收峰在每次檢測時都處于同一個位置,即激光輸出波長恒定。參比氣室的另外一個作用可以作為終點濃度值校準,如果通入?yún)⒈葰馐业难鯕鉂舛葹闇y量量程的終點值,則可以用該檢測信號作為系統(tǒng)的終點校準。3.2a帶的生成氧氣在759～767nm之間都有大或小的吸收譜,如圖2所示。氧分子在760.26nm(13153.4cm-1)左右有一個吸收帶,通常稱之為A帶,它是由磁偶極躍遷的震動子躍遷組成的。本文將選取位于760.26nm的R13Q14線作為氧吸收波長點,因為在此波長氧吸收線強度較大。4激光執(zhí)法調(diào)諧特性檢測在利用可調(diào)諧激光光譜進行氧氣濃度檢測時,通常激光二極管波長調(diào)諧的范圍都小于1nm。在研究激光二極管調(diào)諧特性時,選用的激光二極管光源為Avalon光子公司的AP-C11-0101-0800型號,測試激光輸出波長的光譜儀為美國PE公司FTIR光譜儀,二極管光源驅(qū)動為ILXLightwave公司的LDC3908,可以對激光二極管電流調(diào)諧、溫度調(diào)諧以及恒溫恒流控制。4.1激光電極輸出波長測量調(diào)節(jié)光源驅(qū)動器的溫度控制,使溫度控制在25℃,改變光源的驅(qū)動電流,使其變化范圍為4～5.3mA,檢測激光二極管的輸出波長,結(jié)果如圖3所示?？梢?當電流在4～5.3mA時電流與波長呈線性關(guān)系,驅(qū)動電流變化1mA時,激光二極管的輸出波長變化0.2405nm。4.2輸出波長檢測調(diào)節(jié)激光二極管驅(qū)動器,使其電流輸出恒定為4mA,然后調(diào)節(jié)溫度控制,使溫度從15℃變化到3(0℃,變化步距為1℃。在每一個溫度點,等待一段時間使溫度穩(wěn)定后,對輸出波長進行檢測,結(jié)果如圖4所示。與電流調(diào)諧特性一樣,激光二極管的輸出波長與溫度之間存在線性關(guān)系,當溫度變化1℃時,激光二極管的輸出波長變化0.0565nm。4.3激光電極的功率與電流關(guān)系功率計選用的是THORLABS的S120B,驅(qū)動電流輸出范圍為3.8～5.4mA,電流變化步長為0.1mA。檢測結(jié)果如圖5所示。由圖5可見,激光二極管的輸出功率與電流呈線性變化,當電流變化0.1mA時,輸出功率變化48.679μW。在實際應(yīng)用中,要注意電流調(diào)諧的范圍使其輸出功率不能超過激光二極管的最大輸出功率,以免對光源造成損傷。綜合圖3～5,可知激光二極管的輸出波長與驅(qū)動電流和工作溫度均有很好的線性關(guān)系,輸出功率與驅(qū)動電流也存在很好的線性關(guān)系,這種特性使激光二極管作為光源進行吸收光譜檢測具有很大的優(yōu)勢。5不同濃度煙氣中多步分離的檢測結(jié)果利用研制的可調(diào)諧激光二極管氧濃度檢測系統(tǒng),往測量氣室中通入不同濃度的氧氣,檢測結(jié)果如圖6所示?？梢?不同濃度氧氣的二次諧波檢測結(jié)果具有較好的分離性。對圖6中數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)建模,可以得到氧氣在該波長處的吸收光譜模型,然后通過對吸收峰的數(shù)據(jù)進行反演,即可以求出待測氧氣的濃度值。5.1火炬氣室內(nèi)氣室內(nèi)通氣室內(nèi)通氣室內(nèi)氣的測量當檢測信號的信噪比為1時,認為有效信號被噪聲淹沒從而不能檢測,所以選擇信噪比等于2來確定該檢測系統(tǒng)的檢測極限。將由高到低不同濃度的標準氣體逐一通入測量氣室中,計算測量結(jié)果。圖7為氧氣質(zhì)量濃度為1142.86mg/m3時的檢測圖,此時系統(tǒng)信噪比為SNR=0.235/0.1=2.35,由此可得到該系統(tǒng)的檢測極限質(zhì)量濃度約為1142.86mg/m3。5.2檢測結(jié)果的相對誤差選擇0.984%的標準氣體持續(xù)不斷地通入測量氣室,每間隔5min記錄一次測量系統(tǒng)的計算結(jié)果,如表1所示。由表1可見,檢測結(jié)果的最大相對誤差為1.22%。根據(jù)12次記錄濃度結(jié)果可計算在該時間段內(nèi)檢測穩(wěn)定性為0.65%。5.3飽和水溶液干擾由于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)為單線吸收光譜技術(shù),選擇性非常好,理論上不會受到其他成分的干擾。又因為水在可見紅外波段有寬的吸收帶,故選擇飽和水蒸氣進行干擾測試。通常在實際應(yīng)用中,只要其他成分干擾引起的輸出結(jié)果變化在量程的1%之內(nèi),就認為該成分對檢測沒有影響。測試共進行5次,結(jié)果如表2所示。從表2可見,幾次的干擾測試誤差均小于1%,可認為水蒸氣對可調(diào)諧激光氧氣測試系統(tǒng)沒有干擾。5.4檢測池內(nèi)計算結(jié)果在1%的量程內(nèi),選取了5個不同標準濃度的氣體分別通入檢測池,記錄下計算結(jié)果,如圖8所示。圖中直線為檢測結(jié)果的擬合直線,R2=0.99,為線性相關(guān)系數(shù),即檢測結(jié)果的線性偏差為1%。6吸收光譜諧波分析提出了利用可調(diào)諧激光二極管吸收光譜技術(shù)與鎖相放大相結(jié)