基于波長調制光譜技術的在線激光氧氣傳感器

劉 云, 王偉峰, 付作偉

（1.山西省環境監控中心,山西 太原 030024；2.西安科技大學安全科學與工程學院,陜西 西安 710054；3.中創精儀（天津）科技有限公司,天津 300384）

引 言

氧氣（O2）是人類生存的必須條件,其含量與人體的舒適度、燃料燃燒和安全生產等密切相關。在低氧環境中,人們會感到頭暈、呼吸困難等。作為燃燒過程的必要氣體,一定濃度的O2能夠使可燃物燃燒更完全,提升能源利用率,從而節約能源并減少環境污染。工業生產時,需對生產現場內的O2濃度實時監測,實現安全生產。例如,煤礦工業的地下作業時,礦井中的O2濃度超過安全范圍,就有可能引發爆炸［1］,嚴重威脅現場人員的生命安全［2］。因此,實時在線監測氧氣的濃度對于提高能源利用率、環境保護及保障安全生產等方面意義重大。

一直以來,人們對于O2的檢測方法進行了廣泛研究。根據檢測原理差異,主要分為順磁性［3］、原電池［4］、氧化鋯［5］以及光纖［6］等幾種傳感器,這些檢測方法均涉及化學反應,消耗O2的同時對設備產生較大損耗,在線監測誤差較大。此外,利用化學方法進行氧氣濃度的檢測,靈敏度較低,無法滿足實際要求。實際的工業燃燒及煤礦開采現場,氣體濃度處于不斷變化中,稍有差池可能釀成大禍,故實時在線監測氧氣濃度有助于減少不必要的損失。因此,探索一種能滿足較高時間分辨率和較高靈敏度的方法來完成實時在線監測O2濃度的方法十分必要。

隨著激光探測及光譜分析技術的不斷發展［7－8］,考慮到在近紅外波段氧氣的獨特吸收特征,基于可調諧激光吸收光譜技術（TDLAS）的高靈敏度和實時快速的特征,本文設計制造了一種以TDLAS技術為理論基礎的實時監測氧氣濃度的傳感器系統,能夠滿足開放光路上實時監測環境中的O2濃度,并能滿足穩定快速及高靈敏度等檢測要求。

1 波長調制光譜技術原理

利用波長調制光譜（WMS）技術搭建系統監測痕量氣體的濃度時,可以減弱光強變化和其他環境因素的影響,故常用于檢測微弱信號［9－10］。根據朗伯－比爾定律,一束調制后強度為I0（t）的激光信號穿透吸收系數為α（v）的待檢測氧氣樣本時,入射光強I0（t）與透射光強I（t）的關系可用式（1）表述。

式中：C為待測樣本的濃度值；L為通過待測樣本中的入射光的光程。

假定入射光的線寬與氣體吸收線的線寬（本文中所使用的分布反饋式（DFB）激光器的線寬為0.019pm,選擇吸收波段內的譜線線寬為2.664pm）,由固定頻率的高頻正弦信號對激光器所需的驅動電流進行調制,則輸出激光的頻率和強度可以由式（2）和式（3）描述。

式中：v0為中心頻率；vm為頻率調制的幅度；η為調制指數；f＝w/2π為調制頻率。則可以將公式（1）改寫為式（4）。

假設光學薄時,即氣體的吸收和強度調制非常小［α（v）1且η1］,I（t）的傅里葉展開式可近似為式（5）。

此處,可以忽略高階項。

當實驗環境為大氣壓環境下,氣體吸收譜線的線型表述可采用lorentz線型［11］,如式（6）。

式中：α0為純凈氣體在吸收譜線峰值處的吸收系數；vg和Δv分別為吸收譜線的中心頻率及譜線的半高全寬。

如果將調制幅度降低至小且吸收很少,則方程（4）可通過泰勒公式展開,高次諧波可忽略不計。通過吸收后得到的吸收信號進行傅里葉分析處理,從而獲取氣體的吸收譜線。利用傅里葉分析得到的二次分量,待測氣體的濃度可用式（7）表征。

式中：H2表示吸收信號的二次諧波幅度。當半高全寬Δv、光程L、調制頻率幅度vm、輸出光強I0及吸光系數α0等均確定的情況下,待測樣本氣體的濃度與對應吸收位置二次諧波的大小在數值上呈正線性相關。

2 傳感器設計及實驗

為提高傳感器穩定性,本文采用垂直腔面發射激光器VCSEL（TO5封裝,oclaro生產）作為發射光源,出射光的中心波長為760mm。為了實現快速的數據掃描,由信號發生電路產生頻率為200Hz的鋸齒波與10KHz的高頻正弦波疊加后傳輸至驅動激光控制電路,驅動激光器發射激光。激光驅動器自身運行產生的波紋噪聲低于1μA,所以激光器部分對頻率的波動影響可忽略。此外,自制的激光驅動模塊具備溫度控制功能,保障激光器輸出波長的抗干擾性。

以TDLAS技術為理論基礎進行開發的氧氣傳感器系統的原理圖見圖1。在該實驗系統中,一束激光經過激光準直器完成準直并聚焦后進入自制的氣體池（一次反射）,入射光束由氣體池內部預置的角反射器原路返回入口端,由硅探測器（PDA10A,thorlabs）接收經氣體吸收后的激光信號,并將出射的激光信號轉化為電信號,經內部的自制鎖相放大模塊將電信號解調為諧波信號。從鎖相放大模塊獲得解調后的2f信號經A/D后傳輸到處理器模塊,進行后續數據處理、結果顯示和保存等操作。

圖1 O2傳感器原理圖

3 結果與討論

對于搭建好的O2傳感系統,其特性參數必須先進行校準工作,以此檢驗該系統是否滿足實際的應用要求［11］。首先,使用氣體質量流量計將標準O2氣體分別配制為不同的質量分數梯度,即1%、10%、20%、30%、40%和50%,然后分別將其通入至氣體池（長度：183mm,有效光程：320mm；Φ：72mm×184mm）。當通入氣體不含氧氣［w（O2）＝0%,w（N2）＝100%］時,系統內部的干擾稱為基線噪聲,鎖相放大器獲得不同濃度吸收信號的二次諧波信號,減去基線噪聲的二次諧波信號的結果,記為該標準質量分數下O2的2f信號,則可獲得該標準質量分數氧氣與2f信號的數學關系,見第56頁圖2。隨著氧濃度不斷上升,2f信號的峰值逐漸增大。根據式（7）,將不同標準濃度的氧氣濃度值與對應的2f信號做線性擬合處理,獲得圖2中的函數關系,故可根據2f信號的峰值和線性函數關系來確定氧氣樣本的濃度。

根據圖2中建立O2傳感器濃度檢測模型,將儀器預熱30min,分別再次通入高純N2和空氣,采用長時間檢測的方法驗證該傳感器的穩定性,結果見第56頁圖3。

圖2 不同標準質量分數氧氣的2f信號幅值與濃度的線性關系

圖3 測試結果

由圖3（a）可知,對于未通入O2,傳感器顯示O2質量分數值約為0.02%（200ppm）,傳感器響應不為0的原因是在激光發射和接收端微小間隙,因此有很短的光路暴露在空氣中。由于一般檢測的O2質量分數在1%（10 000ppm）以上,因此這一誤差可忽略,且O2質量分數越高,該誤差所占比重越小。圖3（b）表明,通過本傳感器測量示值可得O2質量分數約為20.6%±0.1%,而常溫標準大氣壓下O2質量分數約為20.8%。圖4為由N2切換到30%O2所得到質量分數與時間響應曲線。且由圖4曲線可知,儀器在長時間工作條件下沒有明顯漂移,且傳感器最大相對偏差約為0.1%。因此,可以認為本文所設計并搭建的氧氣傳感器穩定性滿足要求。

圖4 由N2切換到30%O2所得到質量分數與時間響應曲線

作為評價在線檢測系統中常用的參數之一,響應時間的大小通常被用來評估儀器和系統的靈敏度。響應時間被定義為：從測量的特性值產生階躍變化的10%開始記錄,直到該特征值的變化且保持在超過其穩態振幅值的90%這一段范圍內所需的時間。本文的實驗系統中,先在氣體池內充入標準N2,達到穩定后,向本系統中的自制氣體池中沖入質量分數為30%的標準氧氣,并對獲得的信號進行數據分析,得到圖4所示標準氧氣的質量分數與響應時間曲線,故可以認為本O2傳感器系統的響應時間約為9s。

Allan方差通常被用來評價系統的性能。記錄所得allan曲線最低位置的坐標,取該縱坐標數值記為該傳感器的最低檢測限,即最佳靈敏度,并取該縱坐標對應的橫軸坐標值記為該系統的最佳積分時間,故常采用allan方差進行系統性能的評估。本實驗對10%O2進行分析,可以認為最佳積分時間為18s,對應的最低檢測限為0.007 8,詳見圖5。為了使傳感器系統獲得更低的檢測限,目前主要有增加激光在氣室內的光程長度以及通過調整光路減小漂移和噪聲等方法。

圖5 利用allan方差確定測定O2傳感器的檢測限和最佳積分時間

4 結論

采用中心波長為760.3nm的VCSEL激光器為光源,電流調諧覆蓋氧氣位于760nm位置處的很強的吸收譜線,利用波長調制光譜（WMS）技術,以扣除背景后的WMS－2f信號的幅值與濃度的線性函數關系為基礎,設計組建了一套能在開放光路中同時滿足實時和在線要求的傳感器來監測O2濃度。在環境條件為常溫常壓時,利用自制的氣體池對該傳感器系統完成了參數校正。數據結果顯示,實驗對于線性度和抗干擾性的要求較高,而氧氣傳感器能同時滿足,響應時間約為9s,最佳的積分時間為18s,對應的最低檢測限為78×10－6。因此,本文搭建的傳感器系統滿足實際生活中對環境中氧濃度的監測需求,同時能滿足在工業現場中對氧氣監測提出的高靈敏度、實時快速、在線檢測等多個要求,并且對于安全生產、環保以及綠色能源的開發使用有著重要的促進意義。

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