基于TDLAS-WMS的近红外痕量CH4气体传感器*

2014-07-01李丽

传感器与微系统 2014年8期

关键词：激光器谐波气体

李丽

(长春工业大学人文信息学院，吉林长春 130000)

基于TDLAS-WMS的近红外痕量CH4气体传感器*

李丽

(长春工业大学人文信息学院，吉林长春 130000)

为了对煤矿CH4气体进行实时监测，基于混合可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)与波长调制光谱(WMS)的检测技术，采用中心波长为1.65 μm的分布反馈(DFB)激光器，设计并研制出痕量CH4气体传感器。利用自主设计的DFB激光器温度控制器，通过调节激光器工作温度，进而使其发光光谱扫描CH4气体的吸收跃迁谱线。同时利用WMS检测技术将待测信号频率移至高频区，减小1/f噪声。利用该痕量CH4气体传感器，在被测气体体积分数为(0～106)×10-6的范围内，对二次谐波信号进行了提取。测试结果显示:在(0～106)×10-6范围内相对测量误差小于7 %，检测下限为11×10-6。同时，研究人员可以通过更换其他波长的激光器，实现对其他气体的检测。

0 引言

近年来,人们对甲烷(CH4)传感器的研究呈逐年增长趋势[1,2]。为了实现实时监测，通常采用直接光谱吸收法[3,4]，基于宽带红外光源检测仪的检测下限为几百ppm。但是，传统的直接光谱吸收法易受局部浓度、光强波动和基准误差的影响。针对此问题，本文提出了可调谐激光二极管光谱吸收法(TDLAS)，即保持分布反馈(DFB)激光器温度不变又调制激光器驱动电流。该技术可克服直接光谱吸收法的上述缺陷，从而满足复杂情况下的测量需求，这也使得该技术成为目前红外痕量气体检测领域的常用方法[5～7]。因此，基于CH4在近红外波段即1.64 μm附近的吸收峰，本文利用DFB激光器设计并实现了一种近红外CH4传感器，利用自主研制的锁相放大器提取二次谐波信号以表征气体浓度信息，对整机做了集成，并开展了CH4检测实验。

1 检测仪结构和原理

1.1 系统结构

本文设计的CH4检测装置结构如图1所示，包括电学和光学部分。电学部分包括激光器扫描和调制模块、激光器温度控制模块，残余幅度调制消除模块、锁相放大模块和控制模块等。光学部分包括激光器(LD，发射波长为1.65 μm)、吸收气室(光程为20 cm，具有气体输入口、气体输出口、激光输入口、激光输出口)、2个近红外探测器(峰值响应波长为1.9 μm，截止响应波长为2.2 μm，分别用于检测通道和参考通道)。ARM7处理器(LPC2148)作为主控制器，用于信号产生、设备驱动、数据采集和数据处理。利用自主研发的温度控制器和PID反馈算法驱动DFB激光器的热电制冷器(TEC)，采用波长调制光谱(WMS)技术，将其出射波长控制在CH4分子的吸收谱带即1.65 μm附近；同时将余弦信号(5 kHz)和锯齿波信号(25 Hz)的合成信号施加到激光器两端来扫描和调制其输出波长，这将使激光器的出射波长覆盖CH4分子的吸收谱带。

图1 基于DFB激光器的甲烷检测仪结构Fig 1 Structure of the designed methane detection device based on DFB laser

1.2 关键模块集成与测试

1.2.1 DFB激光器的温度控制器

DFB激光器温度控制器以LPC2148为控制核心，以TEC为执行元件，以热敏电阻器为温度传感元件，搭建了性能优异的DFB激光器温度控制器的硬件电路。DFB激光器温度控制器的系统组成框图如图2所示。

图2 DFB激光器温度控制器系统组成框图Fig 2 Constitution block diagram of DFB laser temperature controller system

温度控制器以D/A模块和TEC控制芯片组成前向通路，以温度传感器信号采集电路和A/D模块组成温度信息采集电路，构成了完整的闭环温度控制结构。控制模块通过A/D模块获得温度传感器采集放大信息，调整数字控制量，数字控制量由D/A模块和TEC控制芯片转换为TEC控制电流，控制对激光器的加热和制冷。在温度信息采集电路之外，系统的检测电路中还包括电流信息采集电路，使得核心控制器具有监控TEC控制电流的能力。当TEC电流过大时，控制器将关闭TEC控制芯片，以免DFB激光器和TEC受到损伤。

1.2.2 DFB激光器驱动电源

该驱动电源主要包括控制模块、压控恒流源模块、保护电路模块等，如图3所示。

图3 DFB激光器驱动电源组成框图Fig 3 Constitution block diagram of DFB laser drive power

控制模块以LPC2148为核心，用于控制D/A转换器产生驱动压控恒流源模块的直流电压。压控恒流源模采用硬件和软件双闭环反馈控制方法。在硬件反馈环中，利用运算放大器深度负反馈原理来稳定环路增益、提高信噪比、减小非线性失真以及扩展通频带宽度。在软件反馈环中，利用位置式Ziegler-Nichols PID控制算法来消除硬件反馈环中由于MOS管反向饱和漏电流(漏—栅电流)所引入的实际电流值与理论值之间的微小差异。在电源纹波抑制中，对传统的π型滤波网络加以改进，利用达林顿管来对电容进行等效变换，用小电容来产生大电容的滤波效果，同时新的滤波网络还具有延时软启动/软关闭的作用，这可以避免激光器受到上电或断电瞬间的浪涌电流冲击。

1.2.3 锁相放大器

自主设计的锁相放大器结构如图4所示，它包括倍频和移相单元、模拟乘法器单元和低通滤波单元。

图4 集成的锁相放大器框图Fig 4 Block diagram of integrated lock-in amplifier

将5 kHz参考方波信号送至倍频和移相单元，产生10 kHz的方波信号，且其相位可从0°调节到180°；利用一种高精度平衡调制器(AD630)实现差分信号u(t)和相位可调谐的10 kHz方波信号相乘。乘法器的输出信号经由一个八阶巴特沃斯低通滤波器做滤波处理，从而得到二次谐波信号。为了清晰地观测到二次谐波信号，实验中该低通滤波器的截止频率被设置为4 kHz。

2 检测原理

DFB激光器出射光束经由光纤分束器(FOBS)后分为两束，一束光穿过气室并被CH4吸收后到达探测器1，转换为检测信号ut；另一束光经光衰减器(OA)后直接到达探测器2，产生参考信号ur。利用减法电路得到差分信号ur-ut，调整OA的衰减系数和减法器参数，可消除激光器的剩余幅度调制，这将有助于提取二次谐波信号。

令经分光后的光束强度为I0，气体体积分数为C，吸收光程为L,对于检测通道，到达探测器1的光强为

It(t)=I0[1+mu(t)exp[-α(t)CL]≈I0[1+mu(t)][1-α(t)CL].

(1)

对于参考通道，到达探测器2的光强为

It(t)=nI0[1+mu(t)],

(2)

式中 m为光强调制系数，n为光衰减器的衰减系数，α(t)为气体吸收系数。通过光电转换产生的两通道电信号分别为

(3)

(4)

(5)

(6)

利用傅里叶变换，二次谐波信号S2(t)可由下式得到

(7)

S2(t)=KeqCA2(t).

(8)

考虑到A2(t)是确定的，其幅度Amp[A2(t)]=A2为常数，则二次谐波信号S2(t)的幅度正比于体积分数C，即

Amp[S2(t)]=KeqCA2.

(9)

因此，在满足式(1)的条件下，Amp[S2(t)]和CH4体积分数C呈线性关系。

3 气体检测实验和结果讨论

3.1 实验测试

利用2个质量流量控制器对纯净的N2和CH4进行定量混合，可以配备得到不同体积分数的CH4样品，令样品气体穿过气室就可以测量其体积分数。实验中，激光器的工作温度设定为17.6 ℃。另外，为了观测到良好的二次谐波信号，10kHz参考信号的相移角度为+140°。在体积分数为10 %时，实验测得的差分信号和提取得到的二次谐波信号分别如图5(a)，(b)所示。

图5 实验测得差分信号与二次谐波信号波形Fig 5 Practically measured waveform of differential and second harmonic signals

3.2 实验标定

利用集成的TDLAS检测仪器，对体积分数范围在0 %～100 %的气体样品做了测试实验，以此对仪器进行标定。实验测得的二次谐波信号幅度Amp[S2(t)]与气体体积分数C的关系如图6所示。可以看到，在较低体积分数范围内(0～5 %)，Amp[S2(t)]随体积分数呈线性增加。然而，当体积分数大于5 %后，二者之间呈非线性关系，这是由于关系式exp[-α(t)CL]≈1-α(t)CL在C较大时不成立所致。

3.3 检测精度

为了确定系统的测量精度，实验配备了五种体积分数分别为0.01 %，0.1 %，1 %，20 %，40 %的气体样品。令气体流经气室，根据仪器测得的二次谐波信号幅度确定其体积分数大小。将测得的体积分数与标准体积分数进行对比并计算出相对误差，如图6所示。图中可见，当体积分数小于0.01 %时，误差最大，约为-7 %；当体积分数大于1 %时，误差范围为-3 %～+3 %。

图6 体积分数分别为0.01 %,0.1 %,1 %,20 % ， 40 %气体样品的检测误差Fig 6 Detection errors of five standard gas samples with volume fractions of 0.01 %,0.1 %,1 %,20 % ,40 %

3.4 稳定性

由于二次谐波信号中存在噪声与干扰，这将对检测稳定性产生影响。对于配备的体积分数为0.1 %和20 %的气体样品，分别开展了24 h的检测实验，并对每小时的测量结果进行平均，结果如图7所示。可以看到，体积分数为0.1 %的样品，测量的体积分数范围为0.090 3 %～0.110 0 %，相对误差小于7 %；体积分数为20 %的样品，测量的体积分数范围为19.7 %～20.5 %，相对误差小于2.5 %。

图7 2种气体样品24 h的体积分数测量结果Fig 7 Measurement result of volume fraction for 24 h on two gas samples

4 结论

本文基于TDLAS-WMS技术，利用激射波长在1.65 μm附近的DFB激光器，实现了一种近红外CH4气体传感器。研制了温度控制器和驱动电源，并集成了便携式锁相放大器来提取二次谐波信号。实验结果表明：低体积分数(<100×10-6)

范围的相对误差小于7 %，检测下限约为11×10-6,0.1 %和20 %的气体样品的波动范围分别小于7 %和2.5 %。

[1] Bai S L,Chen L Y,Yang P C,et al.Sn/In/Ti nanocomposite sensor for CH4detection[J].Sensors and Actuators B,2008,135(1):1-6.

[2] Kock A,Tischner A,Maier T ,et al.Atmospheric pressure fabrication of SnO2-nanowires for highly sensitive CO and CH4detec-tion[J].Sensors and Actuators B,2009,138(1):160-167.

[3] 杨帮华,丁丽娜,张永怀.红外气体传感器中光源恒功率控制电路的设计[J].传感器与微系统,2012,31(5):115-117.

[4] 陈晨,党敬民,黄渐强,等.高稳定强鲁棒性DFB激光器温度控制系统[J].吉林大学学报:工学版,2013,43(4):1004-1010.

[5] 张晓波,陕皓,刘丽,等.微气体传感器结构设计和优化[J].传感器与微系统,2013,32(1):128-130.

[6] Namjou K,Cai S,Whittaker E A,et al.Sensitive absorption spectroscopy with a room-temperature distributed-feedback quantum-cascade laser[J].Optics Letters，1998, 23(3):219-221.

[7] Durry G,Li J S,Vinogradov I,et al.Near infrared diode laser spectroscopy of C2H2,H2O,CO2and their isotopologues and the application to TDLAS,a tunable diode laser spectrometer for the martian PHOBOS-GRUNT space mission[J].Appl Phys B,2010,99(1/2): 339-351.

Near-infrared trace CH4gas sensor based on TDLAS-WMS*

LI Li

(College of Humanities and Information,Changchun University of Technology,Changchun 130000,China)

In order to monitor CH4gas in real-time under coal-mine,design,research and fabricate trace CH4sensor using distributed feedback(DFB)laser with centre wavelength of 1.65 μm,which is based on tunable diode laser absorption spectroscopy(TDLAS)and wavelength modulation spectroscopy(WMS)detecting technology.The spectrum of DFB laser can scan CH4transition absorption spectrum through adjusting working temperature of DFB laser utilizing independent design DFB laser temperature controller.In order to decrease the 1/fnoise,WMS detection technique is utilized to transfer the detection signal into high frequency region.The trace CH4sensor is applied to extract the second harmonic signal within the detection range of (0～106)×10-6. Detection results show that the relative detection error is less than 7 % within the detection range of (0～106)×10-6and the lowest detection is 11×10-6.Meanwhile,the researchers can detect other gases through replacing lasers with different wavelength.