用于測量長光程CO和CO2 濃度的TDLAS傳感器系統室內試驗

李永剛，張 濤，李洪剛

(1.天津同陽科技發展有限公司 天津300384；2.天津市環境監測技術企業重點實驗室 天津300384)

0 引言

近年來，以可調諧二極管激光吸收光譜技術為理論基礎的氣體傳感器已廣泛應用于控制工業燃燒過程，減少污染物和提高產品質量[1-3]。該類型的氣體傳感器時間分辨率高、靈敏度高、抗干擾性強，因此可用于惡劣環境下監控氣體的濃度、溫度等重要現場參數。而分布式反饋(Distributed Feedback，DFB)激光器憑借緊湊性、堅固性、兼容性高及操作簡單等自身優點，已成為TDLAS(可調諧半導體激光吸收光譜)氣體傳感器中激光光源的重要選擇之一[4,5]。

一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)的濃度在燃燒診斷中意義重大，對于碳氫燃料系統，燃燒尾氣中CO和CO2的濃度是燃燒效率的重要指標[6]。目前已有許多文獻闡述了同時測量CO和CO2氣體濃度，如：顧海濤等[7]選擇測量CO和CO2中心頻率分別為1577.64 nm 和1577.79 nm，光程長度50 cm 下測量CO和CO2的濃度下限分別為0.042%和0.022%；董鳳忠等[8]根據TDLAS技術研制道邊實時監測機動車尾氣儀器用于測量CO和CO2，譜線的中心波長1579.737 nm 和1579.574 nm，并進行了實地檢測，準確性較高。以上研究成果均對本文的長光程測量具有重要的參考意義。

考慮目前道路上機動車尾氣CO與CO2長光程測量的精度要求，選用波段分別為2327 nm 和2004 nm 的DFB激光器，保證其吸收線強足夠大且不受干擾，結合TDLAS技術的直接吸收測量方法，搭建了可用于CO和CO2同時檢測的長光程對射式氣體傳感器模型，為實驗室環境下機動車尾氣CO和CO2的測量奠定基礎。

1 基本原理

TDLAS技術通過氣體分子對不同波段激光的“選擇性吸收”進行氣體濃度檢測，其原理基于朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律[9,10]。由朗伯-比爾定律可知，氣體在光度為：

其中：Ii(ν)為入射光強，Io(ν)為穿過待測氣體后的出射光強，S T )為吸收譜線的線強，P 為待測氣體的壓強，L為氣體吸收的光程長度，φ(ν)為氣體線型函數，χabs為待測氣體的濃度。

為了便于計算，一般對線型函數進行歸一化處理，即：

據此，對吸光度α(ν)求積分后得到光譜積分吸光度 A(ν)：

由以上公式可知，當壓強、光程長度和吸收線強度已知時，根據氣體的積分吸光度即求得待測氣體的濃度。積分吸光度根據氣體的出射光強與入射光強計算。已知經氣體吸收后的出射光強為 Io(ν)，而氣體的入射光強無法準確獲得，為了便于計算，本系統選擇根據出射光強進行基線擬合，并在合理范圍內加寬激光器的掃描范圍，使得基線的擬合更為準確。

為簡化計算量，本激光傳感器系統并未對線型函數進行擬合，而是根據氣體吸收的線性，選擇吸收峰的峰高反演氣體濃度。此外，在實際測量過程中，由于光程長度較長(大于24 m)，空氣中CO和CO2對測量結果的影響已不能忽略，因此濃度反演算法中需實時扣除空氣中CO和CO2的背景吸收。

2 試驗系統

本系統采用DFB半導體激光器作為激光光源，可調諧特性強，輸出激光功率高，動態單模性良好，且波長范圍可有效覆蓋近紅外波段。根據Zhou等[11]提出的譜線選擇要求，選擇合適的吸收譜線。由圖1可知，選擇的CO和CO2吸收峰無氣體間的交叉干擾，不受空氣中H2O氣體的干擾，也能避免NO和NO2等尾氣氣體的干擾。此外，根據HITRAN2012數據庫[12]可知CO和CO2的吸收線強的數量級為e-21，滿足測量要求。

圖1 CO、CO2、NO、NO2和H2O的吸收譜線圖(HITRAN，T＝300 K，P＝1 atm，L＝100 cm)Fig.1 Absorption spectrum of CO，CO2，NO，NO2 and H2O(HITRAN，T＝300 K，P＝1 atm，L＝100 cm)

以此為基礎搭建本激光傳感器系統，模塊包括：CO激光器(NP-DFB-2004-TO5，nanoplus)、CO2激光器(NP-DFB-2327-TO5，nanoplus)，自制鎖相放大模塊，自制激光驅動模塊，自制角錐棱鏡模塊，自制校準氣室(L＝20 cm)，非球面鏡(C036TME-D，ThorLabs)，90°離軸拋物面鏡(MPD229H-M01，ThorLabs)，光電探測模塊(PDA10D2，ThorLabs)。其中激光器、非球面鏡、離軸拋物面鏡、校準氣室的連接方式及系統結構如圖2所示。

圖2 同時測量CO和CO2的激光傳感器系統示意Fig.2 Laser sensor system diagram for synchronous monitoring concentrations of CO and CO2

圖2顯示，鎖相放大模塊產生信號，傳輸至激光驅動模塊將電壓信號轉換為電流信號，控制激光器將電流信號轉化為光信號，光信號通過離軸拋物面鏡的中心孔射出后被對路另一側的角錐棱鏡反射回來并匯聚在離軸拋物面鏡的焦點上，由光電探測器檢測到在光路上被氣體吸收后的光信號，被鎖相放大模塊中的采集卡采集并進行處理，最終求得氣體的濃度。

3 試驗結果

根據Bartzis等[13]搭建的機動車尾氣的擴散模型——三維計算流體動力學(CFD)模型，利用CFD模型計算出機動車在速度為60 km/h、風速為5 m/s駛過后CO的擴散速度，得到的結論為機動車尾氣的擴散速度極快，在車輛駛過約0.5 s后CO的濃度衰減近10000 倍，1 s后與空氣中的背景濃度持平。由此可知，利用TDLAS技術對機動車尾氣濃度的測量須保證在車輛駛過后的幾十毫秒內完成，對測量系統的時間靈敏度要求極高，因此設置鋸齒波的掃描頻率為100 Hz。

將系統在實驗室環境下進行CO和CO2濃度的長光程檢測實驗，以確定測量氣室中CO和CO2濃度的準確性。將氣室與角錐棱鏡的距離分別設置為12、13、14、15 m，在進行測量時，首先采集大氣中的背景譜線并進行記錄，隨后在氣室中充入不同濃度的CO和CO2，同構動態校準儀將濃度為99.9%的CO切割為2%、5%、8%、10%，將99.95%濃度CO2切割為3%、8%、13%、16%。得到CO、CO2濃度的測量結果分別如圖3、圖4所示。

由圖3可知，在24～30 m 光程長度內，濃度為2%、5%、8%、10%的CO最大測量誤差分別為-7.3%、0.5%、4.8%、4.4%；由圖4可知，在24～30 m 光程長度內，濃度為3%、8%、13%、16%的CO2最大測量誤差分別為5.34%、-5.2%、-7%、-7.03%?？梢钥闯?，CO2的測量結果誤差略大于CO，分析認為，大氣中的CO2濃度比CO高，波動范圍大，對測量影響較大，導致測量結果的誤差大于CO。

圖3 CO的濃度測量結果Fig.3 Measurement result of CO concentration

圖4 CO2的濃度測量結果Fig.4 Measurement result of CO2 concentration

4 結論

利用TDLAS技術的分辨率高、響應速度快等優勢，搭建了一套以直接吸收光譜技術為基礎的用于仿真機動車尾氣檢測的實驗室系統。選擇利用氣體吸收譜線的峰高獲得氣室內CO和CO2的濃度，并對氣室內不同濃度、不同光程的2種氣體進行濃度檢測，最大測量誤差不超過10%，對搭建機動車尾氣中CO和CO2的濃度檢測有一定的參考意義。針對測量過程中CO2濃度受空氣中背景濃度影響的情況，需在之后進行技術上的改進。