基于TDLAS-WMS的高靈敏度電子鼻傳感器設計*

陳思慧

(廣東海洋大學 教育信息中心， 廣東 湛江 524088)

基于TDLAS-WMS的高靈敏度電子鼻傳感器設計*

陳思慧

(廣東海洋大學 教育信息中心， 廣東 湛江 524088)

為了對痕量有害氣體(甲烷為例)進行非接觸式檢測，本文基于可調諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)與波長調制光譜(WMS)相結合的檢測技術，采用中心波長為7.5 μm的量子級聯激光器(QCL)，設計并研制出高靈敏度電子鼻傳感器系統.在室溫條件下，通過調節QCL注入電流，使其發光光譜掃過甲烷(CH4)氣體吸收譜線.同時采用緊湊型herriott氣室(長度為40 cm，容積為800 mL)，使得系統總光程達到16 m.利用該傳感器系統，對不同濃度的CH4進行測量，結果顯示，測量相對誤差小于7%，檢測下限為1×10-9.同時，研究人員可以通過更換其他激射波長的QCL，實現對其它有害氣體的檢測.

非接觸式； 痕量； 甲烷； TDLAS-WMS技術； 量子級聯激光器； herriott氣室； 長光程； 傳感器

相對于傳統的近紅外光譜儀光源，激射波長為中紅外的量子級聯激光器(QCL)不僅具有發光強度高、相干性好的特性，而且可以通過調節其注入電流，使得激射波長與被測氣體最強吸收強度譜線相吻合，達到高精度有害氣體檢測的目的[1-5].

Kormann等人采用QCL在液氮制冷條件下對空氣中的CH4濃度進行了檢測[6]；Dong等人采用激射波長為3.3 μm的QCL對痕量CH4氣體濃度進行了檢測[7].近些年，國內各個科研院所也均有這方面研究，但是采用工作于室溫條件下的中紅外QCL痕量CH4濃度的傳感器卻未見報道.

本文基于激光吸收光譜(TDLAS)與波長調制光譜(WMS)檢測技術，結合總光程為16 m的herriott氣室，設計并研制出高靈敏度電子鼻傳感器系統.該傳感器系統所使用的QCL激射波長為7.5 μm，可在室溫工作條件下通過調節其注入電流找到CH4強吸收譜線(1 332.8 cm-1)，最終得到了濃度為1×10-9的CH4探測極限.

1 光譜吸收法檢測原理

該傳感器系統檢測的目標氣體為CH4，鑒于CH4氣體分子在1 330 cm-1波數附近區域有最大吸收強度[8]，傳感器系統利用此基頻吸收譜帶，使用中心波長為7.5 μm的QCL對CH4氣體濃度進行檢測.系統工作時可以通過在室溫條件下調節QCL注入電流的方式，使其輸出光波長在1 330 cm-1吸收帶附近，最終得到一個較強的吸收譜線(1 332.8 cm-1)，甲烷吸收譜線如圖1所示.

圖1 波數為1 320～1 350 cm-1之間的甲烷吸收譜線

2 差分吸收法公式推導

QCL有輸出能量高、窄線寬和響應速度快等優點，因此基于QCL的吸收光譜技術已被廣泛應用于光學痕量氣體傳感器.差分吸收光譜檢測理論基礎是朗伯比爾定律，其中光強與氣體濃度關系表達式為

I(υ)=I0(υ)e[-α(υ)CL+β(υ)]

(1)

式中：I(υ)為光通過吸收介質后的強度；I0(υ)為激光器初始光強；L為氣體有效吸收光程；C為激光路徑氣體平均濃度；υ為輻射頻率；α(υ)為分子吸收線強；β(υ)為常數，取決于實驗條件.通過氣室吸收后I(υ)變為Is(υ)，通過參考氣室后的光強為Ir(υ).對Is[υ(t)]和Ir[υ(t)]進行重新定義，依據朗伯比爾定律則有

Is(υ(t))=mI0(υ(t))e[-α(υ)CL+β(υ)]

(2)

Ir(υ(t))=nI0(υ(t))

(3)

式中：m為有效光強比例系數；n為參考光強比例系數.當被測氣體濃度極低的情況下，式(2)簡寫為

Is(υ(t))=mkI0(υ(t))e[1-α(υ)CL]

(4)

式中，k為e[β(υ)].將式(4)與式(3)相除得

(5)

式(5)中直流和交流分量分別為

(6)

(7)

3 傳感器系統配置

為了有效抑制系統噪聲，提高傳感器系統檢測下限，該傳感器系統使用了差分吸收的方法，傳感器的結構框圖如圖2所示.

圖2 傳感器框圖

采用中心波長為7.5 μm的中紅外QCL，考慮到其QCL發散損耗問題，在系統中加入了空間濾波模塊(M1、M2為凸透鏡，P1為狹縫)，有效地減小了光束的發散.中心波長為632.8 nm的固體激光器發出的可見光經過一次反射，通過二向色鏡M3，使其與QCL進行耦合以實現該傳感器系統的光路準直.QCL經光學反射鏡M4后進入總光程為16 m的herriott氣室和參考氣室，利用差分吸收的方法檢測CH4氣體濃度，有效減少了由光源抖動和其他光學器件引入的系統噪聲，進一步提高了系統檢測靈敏度.從上述兩個氣室出射的中紅外激光光束被聚焦到液氮冷卻汞中的紅外探測器上，其輸出的信號經前置放大器放大后被送入鎖相放大器完成進一步處理，實現對痕量濃度CH4氣體的檢測.

實驗中使用自主設計的QCL驅動電源和溫度控制器對其進行電流和溫度控制.驅動電源輸出的脈沖信號頻率為5 kHz，脈寬為2 μs.工作時使用溫度控制器對QCL進行溫度控制，使其工作在298 K，將這個短電流脈沖和一個緩慢變化的電流斜坡信號進行疊加，以掃描通過氣體的吸收譜線，從而達到了通過改變QCL注入電流對輸出波長進行調節的目的.

3.1 QCL激光器溫度控制模塊

由于QCL激光器激射波長與被檢測液體近紅外吸收峰的一致性會直接影響電子鼻系統性能，故本文設計的激光器溫度控制模型以LPC2148為核心控制器，其整體控制框圖如圖3所示.

圖3 QCL激光器溫度控制框圖

3.2 QCL激光器驅動電源

為了提高驅動電源的線性度和穩定度，增加電子鼻系統的檢測精度，驅動電源采用硬件閉環的控制方式，利用深度線性負反饋，通過調節積分時間和增益倍數，使驅動電源的線性度和穩定度得以提高.QCL激光器驅動電源由供電電源、控制器、壓控恒流源和保護電路模塊組成，其結構如圖4所示.

圖4 QCL激光器驅動電源

3.3 鎖相放大模塊

為了抑制分紅噪聲，采用相關檢測法對高頻調制信號進行鎖相，提取與氣體濃度相關的有用信號.相關檢測電路的數學模型為乘法器，它對兩個輸入信號完成乘法運算，具有鑒別信號相位和選擇信號頻率的能力.通過相關檢測電路完成對二次諧波信號和鎖相倍頻電路輸出基準頻率的相關運算，它是同步相關檢測的關鍵環節，決定整個檢測系統測量精度和測量結果的穩定性.鎖相放大模塊如圖5所示.

本文從工作頻率范圍、系統帶寬及輸出噪聲電壓系數等方面考慮，最終選擇亞德諾半導體公司生產的AD630平衡調制/解調器作為相敏檢波電路的主芯片.以相敏檢波芯片AD630為核心，將差分信號與相位可調的參考信號(10 kHz方波信號)進行相敏檢波，輸出給模擬乘法單元，然后經高階巴特沃茲低通濾波器得到與被測氣體濃度相關的二次諧波信號，調節低通濾波器截止頻率來獲得最佳二次諧波信號.

圖5 鎖相放大器框圖

4 實驗測試

實驗定量分析氣體濃度采用單光源雙探測器直接吸收光譜的方法.實驗利用高精度納秒級紅外QCL驅動電源，穩定度高、魯棒性強的溫度控制器以及相關弱信號檢測電路完成，并且把測試系統和測量結果進行了對比，以此對中紅外痕量甲烷濃度檢測儀的精度進行標定.

4.1 QCL激射光譜測試

隨著環境溫度或驅動電流的變化，分布反饋式激光器的輸出波長也隨之改變.激光器的輸出波長隨電流的變化關系不僅表述了激光器的重要特性，也是設計驅動系統重點研究的內容.該儀器系統使用自主研制的驅動電源和溫度控制器對QCL進行注入電流和工作溫度控制.驅動電源輸出的脈沖信號頻率為5 kHz，脈寬為2 μs，占空比為1%.采用傅里葉紅外光譜儀(分辨度為0.125 cm-1)測量分布反饋式激光器的發射光譜，儀器系統工作時，使用溫度控制器對QCL進行溫度控制，實現了通過改變QCL注入電流對其輸出波長進行調節的目的.

在實驗中，選擇上述QCL驅動電源對激光器進行驅動控制，其具體實驗步驟如下：

1) 設定激光器的工作電流為0.6 A，溫度控制器控制激光器在298 K溫度下工作.此時，測量QCL激光器輸出的光譜.

2) 設定激光器的工作電流為0.8、1.0、1.2、1.4和1.6 A，重復上述步驟，利用傅里葉紅外光譜儀對激光器輸出的光譜進行測量.測量結果如圖6所示(從右至左峰值分別對應0.6、0.8、1.0、1.2、1.4及1.6 A).

圖6 QCL激射光譜

由圖6可以看出，驅動電流的調節范圍是從閾值電流0.6 A到峰值電流1.6 A，此時可實現波長范圍從1 332.72 cm-1到1 332.90 cm-1的調節.當激光器的工作溫度恒定時，激光器的輸出峰值波長與工作電流呈穩定的線性關系.根據實驗數據可以得到QCL激光器電流調諧系數，其取值為0.17 cm-1/A.

4.2 傳感器系統靈敏度

為了分析傳感器系統的靈敏度，根據該傳感器系統的實際情況，采用了50組實驗數據進行了測試，電壓代表herriott氣室通入CH4氣體前、后鎖相放大器輸出的差值，即CH4氣體吸收光強所對應的鎖相放大器輸出電壓值，測試結果如圖7所示.50次測試結果的平均值為0.29 mV，最大偏差為0.03 mV，該傳感器系統的檢測靈敏度較高.

圖7 50次CH4濃度測量實驗數據

4.3 傳感器系統檢測下限

CH4氣體濃度檢測下限可以確定傳感器系統性能的優劣，是衡量的重要指標.對濃度為200×10-9CH4氣體進行測量，實驗結果如圖8所示.結果顯示，實際CH4氣體濃度數據的最大偏差為±1×10-9，CH4氣體濃度檢測下限為2×10-9.

4.4 傳感器系統穩定性

盡管采取了各種抑制系統噪聲的手段，但電子元器件中白噪聲、粉紅噪聲的存在嚴重限制電路系統處理信號的能力.為了檢測系統噪聲對氣體濃度檢測結果的影響，配備了濃度為0.1%和20%的甲烷氣體樣品，并分別展開了24 h的濃度檢測實驗.對每60 min內的測量結果取平均值，測量結果如圖9所示.

圖8 CH4氣體濃度實驗數據

圖9 兩種濃度CH4氣體24 h的測量結果

當CH4氣體濃度為0.1%時，濃度檢測結果為0.09%～0.11%，相對誤差小于7%；當CH4氣體濃度為20%時，濃度檢測結果為19.7%～20.5%，相對誤差小于2.5%.

5 結 論

本文基于TDLAS-WMS檢測技術，采用中心波長為7.5 μm的QCL設計出高靈敏度電子鼻傳感器系統.采用緊湊型herriott氣室使傳感器系統總光程達到16 m.實驗中對該傳感器系統性能進行了測試，測試結果表明，該傳感器能夠對痕量有害氣體進行檢測.

為了進一步提高傳感器的氣體濃度檢測下限，下一步計劃工作如下：

1) 增加激光通過氣體的長度，采用多次反射式的光學結構增加檢測設備的光程，提高儀器的檢測下限；

2) 采用高集成度專用的熱電制冷器控制芯片，使激光器的溫度控制系統能夠達到更高的控制精度；

3) 在信號檢測方面，嘗試設計出數字相關檢測電路，進一步提高CH4傳感器的穩定度、響應時間以及信噪比.

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(責任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)

Design of electronic nose sensor with high sensitivity based on TDLAS-WMS

CHEN Si-hui

(Education Information Center, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China)

In order to carry out the non-contact type detection of trace noxious gas (methane), based on the detection technology in combination with both tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) and wavelength modulation spectroscopy (WMS), the quantum cascaded laser (QCL) with the centre wavelength of 7.5 μm was adopted, and an electronic nose system with high sensitivity was designed and developed. At room temperature, the luminescent spectrum of QCL could scan the methane (CH4) absorption line through adjusting the injection current of QCL. In addition, a compact herriott gas cell with a length of 40 cm and a volume of 800 mL was adopted to achieve the total optical path of 16 m. The methane with different concentrations was detected with the developed sensor system. The results show that the relative detection error is less than 7%, and the minimum detection limit is 1×10-9. Moreover, the detection of other harmful gases can be realized through replacing QCL with other emitting wavelength.

non-contact; trace; methane; TDLAS-WMS technology; quantum cascaded laser (QCL); herriott gas cell; long optical patch; sensor

2016-12-02.

廣東省教育廳科研資助項目(2014XGJK181).

陳思慧(1982-)，女，廣東茂名人，講師，碩士，主要從事計算機技術應用等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.03.14

TP 275

A

1000-1646(2017)03-0317-05

*本文已于2017-05-08 20∶25在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170508.2025.012.html