激光二極管吸收光譜結(jié)合鎖相放大的氧氣濃度檢測(cè)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(cè)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(cè)氧氣濃度，如油擠出裝置（氣體泄漏監(jiān)測(cè)）、天然氣儲(chǔ)存系統(tǒng)和解離檢測(cè)器。目前用于檢測(cè)氧氣的傳感器大多通過其探頭的電阻或電容變化來測(cè)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(duì)于半導(dǎo)體氣敏元件,它結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用方便,但不適合對(duì)氣體進(jìn)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(qiáng)因素又限制了它的應(yīng)用。由于氧氣吸收強(qiáng)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(cè)存在很大困難。隨著激光技術(shù)的發(fā)展,激光作為檢測(cè)光源有非常大的優(yōu)勢(shì)?？烧{(diào)諧激光采用波長調(diào)制并對(duì)吸收信號(hào)進(jìn)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(cè)、大氣科學(xué)、痕量分析、光譜測(cè)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(jìn)行氧氣的檢測(cè),但主要在實(shí)驗(yàn)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(cè)技術(shù)。2波長調(diào)制譜檢測(cè)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(duì)氣體進(jìn)行測(cè)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(dòng)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(dòng)電流為式中ω為調(diào)制頻率,i0為光源工作時(shí)所需的電流,Δi為高頻調(diào)制電流信號(hào)的幅值。當(dāng)調(diào)制頻率低于激光輸出的半寬(通常為幾十兆赫茲)時(shí)稱為波長調(diào)制光譜(WavelengthModulationSpectroscopy,WMS),當(dāng)調(diào)制頻率與激光輸出頻率的半寬相當(dāng)或者大于激光輸出頻率半寬時(shí)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(jìn)行掃描氣體的吸收峰,另外在掃描電流上還要疊加一個(gè)小幅度的正弦調(diào)制信號(hào)(10～50kHz)。由含有調(diào)制信號(hào)的電流驅(qū)動(dòng)后,輸出激光的瞬時(shí)頻率和光強(qiáng)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(qiáng),ΔI為光強(qiáng)的變化幅度。由Lambert-Beer定律可知,頻率為v時(shí)的檢測(cè)光強(qiáng)為式中I0是頻率為v時(shí)的原始光強(qiáng),L為光程長,σ(v)是頻率為v時(shí)的氣體吸收截面,N為氣體濃度。則結(jié)合(2)～(4)式,可得檢測(cè)信號(hào)n次諧波的振幅為從(5)式可見,諧波信號(hào)與吸收氣體的濃度N成正比,通過檢測(cè)諧波信號(hào)可以得到氣體濃度。3激光譜分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1檢測(cè)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(cè)的特性,檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)的光源驅(qū)動(dòng)由兩部分組成,一部分為溫度控制,另一部分為驅(qū)動(dòng)電流控制。溫度控制由溫度傳感器和控制算法來實(shí)現(xiàn),其控制精度為0.02℃。電流控制由疊加在直流信號(hào)的鋸齒波掃描信號(hào)和小幅度的高頻正弦信號(hào)組成,同時(shí)高頻正弦信號(hào)送至鎖相放大器作為同步信號(hào)進(jìn)行鎖相放大檢測(cè)。光源發(fā)出的激光通過準(zhǔn)直光路進(jìn)行準(zhǔn)直后被分光系統(tǒng)分為三路信號(hào),其中一路由波長計(jì)進(jìn)行波長的監(jiān)測(cè),第二路通過參比氣室后進(jìn)行檢測(cè),第三路進(jìn)入測(cè)量氣室,由被測(cè)氣體吸收后通過光電檢測(cè)器檢測(cè)。其中參比氣室中通入已知濃度的被測(cè)氣體,測(cè)量氣室設(shè)計(jì)成多次反射型。本文中,測(cè)量氣室的實(shí)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(hào)檢測(cè),所以采用鎖相放大的檢測(cè)方式提高信噪比。鎖相放大選擇頻率為調(diào)制正弦信號(hào)的二次諧波信號(hào),這是因?yàn)閷?duì)于一個(gè)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(hào)為0,所以本文選擇氧氣吸收的2f信號(hào)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(dòng)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(dòng)電流,使所選擇的測(cè)量波長處于合適的位置,并將該位置存入單片機(jī)內(nèi)存。當(dāng)驅(qū)動(dòng)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(duì)比前后兩次的吸收峰位置,得到一個(gè)反饋信號(hào),該反饋信號(hào)自動(dòng)去控制激光器的驅(qū)動(dòng)電流,使其增大或者減小,從而使得吸收峰在每次檢測(cè)時(shí)都處于同一個(gè)位置,即激光輸出波長恒定。參比氣室的另外一個(gè)作用可以作為終點(diǎn)濃度值校準(zhǔn),如果通入?yún)⒈葰馐业难鯕鉂舛葹闇y(cè)量量程的終點(diǎn)值,則可以用該檢測(cè)信號(hào)作為系統(tǒng)的終點(diǎn)校準(zhǔn)。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(gè)吸收帶,通常稱之為A帶,它是由磁偶極躍遷的震動(dòng)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(diǎn),因?yàn)樵诖瞬ㄩL氧吸收線強(qiáng)度較大。4激光執(zhí)法調(diào)諧特性檢測(cè)在利用可調(diào)諧激光光譜進(jìn)行氧氣濃度檢測(cè)時(shí),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(shí),選用的激光二極管光源為Avalon光子公司的AP-C11-0101-0800型號(hào),測(cè)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(dòng)為ILXLightwave公司的LDC3908,可以對(duì)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(cè)量調(diào)節(jié)光源驅(qū)動(dòng)器的溫度控制,使溫度控制在25℃,改變光源的驅(qū)動(dòng)電流,使其變化范圍為4～5.3mA,檢測(cè)激光二極管的輸出波長,結(jié)果如圖3所示?？梢?當(dāng)電流在4～5.3mA時(shí)電流與波長呈線性關(guān)系,驅(qū)動(dòng)電流變化1mA時(shí),激光二極管的輸出波長變化0.2405nm。4.2輸出波長檢測(cè)調(diào)節(jié)激光二極管驅(qū)動(dòng)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(gè)溫度點(diǎn),等待一段時(shí)間使溫度穩(wěn)定后,對(duì)輸出波長進(jìn)行檢測(cè),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(dāng)溫度變化1℃時(shí),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(jì)選用的是THORLABS的S120B,驅(qū)動(dòng)電流輸出范圍為3.8～5.4mA,電流變化步長為0.1mA。檢測(cè)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(dāng)電流變化0.1mA時(shí),輸出功率變化48.679μW。在實(shí)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(jìn)行吸收光譜檢測(cè)具有很大的優(yōu)勢(shì)。5不同濃度煙氣中多步分離的檢測(cè)結(jié)果利用研制的可調(diào)諧激光二極管氧濃度檢測(cè)系統(tǒng),往測(cè)量氣室中通入不同濃度的氧氣,檢測(cè)結(jié)果如圖6所示?？梢?不同濃度氧氣的二次諧波檢測(cè)結(jié)果具有較好的分離性。對(duì)圖6中數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)吸收峰的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,即可以求出待測(cè)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(cè)量當(dāng)檢測(cè)信號(hào)的信噪比為1時(shí),認(rèn)為有效信號(hào)被噪聲淹沒從而不能檢測(cè),所以選擇信噪比等于2來確定該檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)極限。將由高到低不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體逐一通入測(cè)量氣室中,計(jì)算測(cè)量結(jié)果。圖7為氧氣質(zhì)量濃度為1142.86mg/m3時(shí)的檢測(cè)圖,此時(shí)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(cè)極限質(zhì)量濃度約為1142.86mg/m3。5.2檢測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差選擇0.984%的標(biāo)準(zhǔn)氣體持續(xù)不斷地通入測(cè)量氣室,每間隔5min記錄一次測(cè)量系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果,如表1所示。由表1可見,檢測(cè)結(jié)果的最大相對(duì)誤差為1.22%。根據(jù)12次記錄濃度結(jié)果可計(jì)算在該時(shí)間段內(nèi)檢測(cè)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(huì)受到其他成分的干擾。又因?yàn)樗诳梢娂t外波段有寬的吸收帶,故選擇飽和水蒸氣進(jìn)行干擾測(cè)試。通常在實(shí)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(rèn)為該成分對(duì)檢測(cè)沒有影響。測(cè)試共進(jìn)行5次,結(jié)果如表2所示。從表2可見,幾次的干擾測(cè)試誤差均小于1%,可認(rèn)為水蒸氣對(duì)可調(diào)諧激光氧氣測(cè)試系統(tǒng)沒有干擾。5.4檢測(cè)池內(nèi)計(jì)算結(jié)果在1%的量程內(nèi),選取了5個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)濃度的氣體分別通入檢測(cè)池,記錄下計(jì)算結(jié)果,如圖8所示。圖中直線為檢測(cè)結(jié)果的擬合直線,R2=0.99,為線性相關(guān)系數(shù),即檢測(cè)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)