基于LD波长调制的环境氧气浓度实时检测技术＊

邓远博，廖晓露，袁 波

（浙江大学 光电信息工程学系，浙江 杭州 310027）

引 言

氧气是日常工业生产的重要原料，在很多工业过程和安全系统中需要监测氧气浓度。此外氧气在环境监测、医疗卫生和人们的日常生活中也起着重要的作用［1－2］。因此，国内外对发展高效灵敏的氧气检测手段有迫切的需求。

常用的传统氧气浓度检测法大致分为电化学法和物理法两大类，这些传统方法受限于其检测原理存在一些不足，比如：电化学法中的氧化锆氧气传感器具有响应速度慢、寿命短的缺点；而物理法中的热磁式氧气传感器则容易受外界电磁场干扰。相比于这些氧气浓度检测方法，基于可调谐激光二极管（TLD）的光谱法具有非接触、快速和受外界环境干扰小的优点，因而近年来其研究和应用越来越受到人们关注［3－4］。为了减小由于光源波动、电子元件温度漂移等因素带来的测量误差，在已有的基于LD波长调制的氧气浓度检测技术的研究中，大多利用锁相放大技术对光谱的谐波信号进行探测［5－6］，锁相放大器的使用一方面使信号处理相对繁琐，另一方面大大增加了装置成本。

为此在研究中，摒弃锁相放大技术，直接运用朗伯－比尔定理，利用氧气在760nm附近的吸收截面系数，根据所测得的相同波长下的单线吸收度直接估计环境中的氧气浓度。所提出的方法在实验装置上更为简单，并通过实验验证了其测量精度能够满足许多场合应用的需要。

1 基本原理与实验装置

1.1 基本原理

氧气在760nm附近存在一个吸收谱带（即A带），它几乎不会受其他气体的吸收光谱的干扰，所以可以作为氧气检测的特征吸收谱带。因此，研究中使用了760nm的可调谐激光二极管，通过温度控制和驱动电流调制来实现LD的输出波长在760nm附近进行扫描，以获得氧气的吸收光谱。

在实际测量前，首先利用定标方法获得氧气760nm附近特定吸收谱线的吸收截面，在测得某一环境下的吸光度后，再根据如下所示的朗伯－比尔定律计算出相应的氧气浓度：

式（1）中，A为吸光度，I和I0分别为吸收后和吸收前光强，L表示光程，C表示浓度，σ表示某个波长下的吸收截面，由公式可看出，在浓度和吸收截面一定的条件下，吸光度和光程成正比。

吸收截面通过测量已知浓度氧气的吸光度来获得，而已知状态的氧气浓度可由气态方程PV＝nRT推导得到：

式（2）中，浓度C表示为单位体积内的分子数，P、T、V和n分别为气体的压强、绝对温度、体积和物质的量，NA和R分别为阿伏加德罗常数和气体常数。将式（2）代入式（1）中得到吸收截面可由以下公式计算得到：

在后面的分析中使用了气体的摩尔百分比浓度η。如果用于确定氧气吸收截面的定标气体与待测气体环境相同（即压强和温度相同），且定标气体为100%纯氧，那么根据式（1）、式（2）和式（3）可以得到待测气体的摩尔百分比浓度为：

1.2 实验装置

基于上述基本原理的实验装置如图1（a）所示。经温度和电流调制后由LD发出的激光束被分束镜分为两束：一束为参考光，它经FP标准具后用于波长定标；另一束为探测光，它通过待测气体。在测量氧气吸收截面系数时，待测样品气室如图1（b）所示，它是纯氧室；而在测量环境中氧气浓度时，待测样品气室如图1（c）所示，探测光直接通过环境，并经过多次反射以增大测量光程。参考光和探测光信号分别由光电探测器接收，并输入到数字示波器中，最后根据朗伯－比尔定律对数字信号进行处理从而测得氧气浓度。

图1 实验装置Fig.1 Experimental setup

2 实验结果与分析

在实验中使用了QPhotonics公司型号为QLD－760－10S的可调谐激光二极管，二极管的温度和电流驱动装置来自Thorlabs公司。首先通过对二极管温度和电流调谐特性的测试确定其工作点，然后依次展开对氧气吸收截面和环境中氧气浓度的测试。

2.1 激光二极管的温度和电流调谐特性

利用光纤光谱仪对LD输出波长随温度和电流的变化特性进行了测试。

（1）温度调谐特性 在60mA驱动电流下调节温度从25℃升高到40℃，变化步距为1℃，在每个温度下均等待一定时间使温度稳定后再用光谱仪对其输出波长进行检测。所测得的LD输出波长随温度的变化关系如图2（a）所示，其变化具有较好的线性关系，通过计算得到LD的波长随温度的变化系数约为0.31nm／℃。

（2）电流调谐特性 由于需要利用氧气的特征吸收谱带——A带，所以要求LD能够工作在760nm附近。根据上面测得的温度调谐特性可以知道最佳工作温度在32℃左右，因此LD的电流驱动特性在32℃下进行测试。改变驱动电流使其从40mA变化到80mA，变化步长为2mA，在每个驱动电流下检测其输出波长，所测得的变化关系如图2（b）所示。从图中可以看出，LD的输出波长和输出功率随驱动电流的变化也近似呈线性关系，其变化系数分别为0.054nm／mA。

根据图2的测试结果可以知道，在温度32℃和驱动电流60mA下，LD的输出波长在760nm附近，可以用于氧气特征吸收谱线的测量。实际中使用的温度为32℃，驱动电流为69.63mA。

图2 LD输出波长随温度和驱动电流的变化Fig.2 Plots of output wavelength of LD vs temperature and drive current

2.2 氧气吸收截面的测量

在上述LD的工作点下，用非对称的三角波调制驱动电流以实现对氧气光谱的扫描。

首先测试了整套测量系统的稳定性。在30min内每隔2min对通风状态下的光程为18.8m的空气的吸光度进行了测量，测得吸光度随时间的波动约为0.69%，波动可能来源于气体流动和环境振动。但总体而言，系统稳定性较好。

然后，利用了纯度为100%的氧气测定了氧气在760nm处的吸收截面。纯氧气室为1m长的圆柱形气室，通过排水法在气室内充入压强为标准大气压的纯氧，之后在26℃下使用如图1（a）所示光路测量了纯氧的吸光度，并利用式（3）计算得到吸收截面。对吸收截面进行了多次的重复测量，最终得到吸收截面为：

该结果与Newnhanm DA［7］曾经测量的氧气在760nm（13 159cm－1）处的吸收截面系数基本相符。

2.3 空气中氧气浓度的测量

接下来测量了空气在760nm附近的吸收光谱，使用该光谱计算得到氧气的吸光度，并利用式（4）计算出氧气浓度。吸收光谱如图3所示。

结合2.2节测定的氧气吸收截面，下面分别对密闭环境和通风环境下的氧气浓度进行了测量。

（1）密闭环境下的氧气浓度

密闭环境是一个相对密闭不透风的小室，并且在氧气有消耗（进行一定的人为活动后）的条件下再对氧气浓度进行测量。分别测量了光程从16m变化到24m（变化步距为1m）下的吸光度，如图4（a）所示，可以看出吸光度随光程变化呈良好的线性关系，线性度为0.984。测得吸光度后，再根据式（4）计算得到氧气浓度，其摩尔百分比浓度为（19.35±0.38%）。它比流动空气中氧气浓度的理论值20.95%要小，这是由于小室的空气流动性差，在有人为活动后由于呼吸消耗导致氧气浓度下降。

（2）通风环境下的氧气浓度

图3 氧气760nm附近的吸收光谱Fig.3 Absorption spectrum of oxygen at 760nm

作为对比，对通风环境下的氧气浓度进行了测量，光程从9m变化到18m（变化步距为1m），类似地在测得不同光程下的吸光度后，再根据（式（4）计算得到氧气的摩尔百分比浓度。通风环境下吸光度随光程的变化关系如图4（b）所示，也呈现良好的线性关系，其线性度为0.988。通过计算得到通风环境下的氧气摩尔百分比浓度为（20.84±0.66）%，该结果与空气中氧气浓度的理论值20.95%很接近。

图4 光度随光程的变化曲线Fig.4 Plots of absorption vs length

3 系统测量精度分析

综上所述，根据如下公式可以估计氧气浓度的测量误差：

将相应数据代入式（6），则δη／η＝7.622×10－3

4 结 论

提出了一种用于实时测量环境中氧气浓度的方法，与传统的基于LD调制的氧气浓度测量技术不同，它通过改变温度和电流对激光二极管发射波长进行调节，直接运用朗伯－比尔定理，定标测量出氧气的吸收截面，并根据氧气在760nm附近A带的单线吸光度，能够方便、实时地测量出环境中的氧气浓度。运用该方法，现对氧气的吸收截面系数进行了测量，并对密闭环境和通风环境下的氧气浓度进行了检测。实验结果表明，该方法具有精度高、线性度好、稳定性好等优点。并且，由于该方法的简单的系统装置和便捷的数据处理和分析，便于基于该原理的检测仪器的大规模集成制造。

［1］ 刘 斌，陈同斌，郑国砥，等.污泥堆肥处理过程中氧气消耗的动态变化与分布特征［J］.环境科学学报，2009，29（5）：968－973.

［2］ 胡定煜，李 浡，戴荣继，等.模型鼠低氧预适应适宜氧气浓度研究［J］.中国应用生理学杂志，2010，26（2）：137－141.

［3］ FRISH M B，WHITE M A，ALLEN I G.Handheld laser－based sensor for remote detection of toxic and hazardous gases［J］.SPIE，2000，4199：19－28.

［4］ EBRT V，TEICHERT H，STRAUCH P，etal.Sensitive in situ detection of CO and O2in a rotary kiln based Hazardous waste incinerator using 760nm and new 2.3μm diode lasers［J］.ProceedingsoftheCombustionInstitute，2005，30（1）：1611－1618.

［5］ 张 帅，董凤忠，张志荣，等.基于可调谐半导体激光吸收光谱的氧气测量方法的研究［J］.光谱学与光谱分析，2009，29（10）：2593－2596.

［6］ 崔厚欣，齐汝宾，陈文亮，等.可调谐激光波长调制技术测量氧气浓度［J］.中国激光，2008，35（10）：1558－1563.

［7］ NEWNHAM D A，BALLARD J.Visible absorption cross sections and integrated absorption intensities of molecular oxygen［J］.JournalofGeophysicalResearch，2000，103（22）：28801－28816.