基于可调谐激光二极管吸收光谱的乙炔在线检测系统

何启欣, 刘慧芳, 李 彬, 潘教青，王利军，郑传涛*, 王一丁*

1. 集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区, 吉林大学电子科学与工程学院，吉林 长春 130012 2. 材料科学重点实验室，中国科学院半导体所，北京 100083

基于可调谐激光二极管吸收光谱的乙炔在线检测系统

何启欣1, 刘慧芳1, 李 彬1, 潘教青2，王利军2，郑传涛1*, 王一丁1*

1. 集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区, 吉林大学电子科学与工程学院，吉林 长春 130012 2. 材料科学重点实验室，中国科学院半导体所，北京 100083

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术，研制了一种近红外乙炔气体检测系统。通过分析近红外波段乙炔分子的吸收谱线特性，选择了1.534 μm附近乙炔分子的吸收峰作为吸收谱线。该系统主要由分布反馈激光器、激光器驱动器、单光程对射式气室、光电探测模块及数字式锁相放大器构成。为了测试该检测系统的性能，配备了乙炔气体样品并开展了气体检测实验。实验结果显示，该系统的最小检测下限为0.02%；在体积分数为0.02%～1%范围内，二次谐波幅值与乙炔气体浓度呈现出良好的线性关系。通过长达20 h的稳定性实验测试了检测系统稳定性。鉴于近红外波段石英光纤传输损耗很小，可以将气室及光路部分与电路部分分离，从而可以进行远程气体检测，这是基于量子级联激光器、热光源的乙炔检测系统难以实现的。该系统采用了自主研制的分布反馈激光器驱动器和锁相放大器，结构简单，性价比高，便与集成，在工业现场乙炔浓度检测方面有着良好的应用前景。

红外吸收光谱；可调谐激光二极管光谱吸收；乙炔检测

引 言

乙炔是一种无色、易燃气体，它燃烧时产生的氧炔焰可用来切割或焊接金属，它还是一种重要的有机原料，被广泛应用于工业生产中。然而，当空气中乙炔含量达到2.3%～72.3%时，接触明火就会发生爆炸[1]。因此，准确、实时的检测工业现场中乙炔气体的浓度对于保证生产安全非常重要。目前检测乙炔气体的常规方法有电化学检测法，气相色谱法和光谱吸收法等。其中电化学法响应时间长，寿命短且易受其他气体干扰；气相色谱法不适合连续的现场监测和长期监测。可调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术[2]利用分布反馈(DFB)激光器的窄带宽和可调谐的特性，具有灵敏度高、选择性强、响应速度快的特点，被广泛应用于痕量气体检测中[3-4]。本工作研制了一种基于TDLAS技术的近红外乙炔气体检测系统，采用DFB激光器作为光源，并由自主研制的激光器驱动仪驱动。采用了单波长双光路式差分检测结构，以消除光源发光功率波动、电子器件温漂和零点漂移等带来的干扰。采用自主研制的数字锁相放大器对差分信号进行处理，从而得到反映气体浓度的二次谐波信号幅值。该检测系统体积小，成本低，若对激光器驱动电路和信号处理电路进一步集成，可自组装成小型化的便携式气体检测仪，从而在工业现场乙炔检测中有着较好的应用前景。

1 系统检测原理

1.1 红外吸收光谱法

当乙炔气体分子受到红外光束照射时，会吸收一部分光能产生红外吸收现象，且这种吸收具有选择性[5-6]。如果一束强度为I0(λ)且光束谱带中包含乙炔吸收谱线的红外光透过乙炔气体，则透射光的强度I(λ)可由朗伯-比尔定律得到

I(λ)=I0(λ)exp[-α(ν)cL]

(1)

式(1)中α(ν)为吸收线型函数，L为气室光程，c为被测乙炔浓度。

1.2 波长调制技术

为了提高乙炔检测系统的信噪比和抗干扰能力，采用5 kHz正弦波对激光器注入电流进行调制[7]。经过调制后激光器的频率和输出光强为

ν=ν0+νfsinωt

(2)

(3)

式(2)和式(3)中ν为经过调制后激光器的输出频率，ν0为调制前激光器的中心频率，νf为频率调制系数，η为光强调制系数。

为了使激光器输出波长扫过乙炔气体的吸收峰，向光源注入10 Hz的锯齿波，当激光器中心波长处于吸收峰时，二次谐波幅值最大，此时经过气体吸收后的激光光强为

sI0[1+ηsinωt-α(ν0+νfsinωt)cL]

(4)

式(4)中s为光强衰减系数，α(ν)为乙炔分子的吸收截面，且在一个标准大气压下，可采用Lorentz线型将其表示为式(5)

(5)

式(5)中νc为乙炔吸收峰中心频率，Δν为吸收峰半宽度。调整激光器电流，使其发光中心频率和气体吸收峰重合，即ν0=νc，则经过气体吸收后的激光强度为式(6)

(6)

探测器两个通道输出的信号，经数据处理模块的电路处理后，可以表示为式(7)和式(8)

(7)

U2(t)=pnKI0(1+ηsinωt)

(8)

式中，U1(t)为经过气体吸收的检测通道的输出信号，U2(t)为参考通道输出信号，n为检测电路放大倍数，K为光电探测器转换系数。调节光衰减器衰减系数p使其与气室衰减系数s相等，则两路信号的差值为式(9)

(9)

将U(t)用傅里叶级数展开可得到二次谐波系数

(10)

由式(10)可知，在m，L，I0一定的情况下，二次谐波信号的幅值与气体浓度成正比，因此，通过计算该幅值就可得到乙炔气体的浓度。

2 系统设计与研制

2.1 吸收谱线选择

乙炔气体分子在中红外波段和近红外波段都有吸收峰，虽然乙炔分子在中红外波段吸收比近红外波段强数十倍，但是乙炔在中红外波段的吸收峰与很多气体吸收峰重叠，且中红外激光器价格昂贵、易损坏且难以接入光纤；另一方面，近红外1.5 μm波段的DFB激光器设计成熟、价格便宜，已经广泛应用于通信及气体检测领域[8]。因此，我们选择了乙炔在近红外波段(1.5 μm)的特征吸收谱线来检测乙炔气体。由HITRAN数据库得到的乙炔分子在1.5 μm附近的吸收谱线如图1所示，图中横坐标为波长(单位: μm)，纵坐标为谱线吸收强度S(单位: cm·mol-1)。

图1 乙炔分子在1.5 μm附近的吸收光谱

本系统采用型号为QLM715-5350的DFB激光器，其中心波长为1 533.456 nm，通过调整激光器温度和注入电流使其输出光谱扫过在乙炔气体1 534.095 nm处的吸收峰，乙炔分子在该波长下谱线吸收强度数量级为10-20cm·mol-1。在选择吸收谱线时，要注意其他气体吸收谱线的干扰[9]。在工业现场检测乙炔气体浓度时，主要存在水汽和CO2等大气中常见气体，在该波长附近，它们的吸收谱线强度相对较弱(如图2所示)，对乙炔检测结果的影响较小。

图2 水和二氧化碳分子在1.5 μm附近的吸收光谱

2.2 系统结构

乙炔检测系统由DFB激光器、DFB激光器驱动器、气室、光电探测器、数据处理模块组成，整个检测系统的结构如图3所示。采用自主研制的驱动器驱动DFB激光器。驱动器产生5 kHz的正弦波叠加10 Hz的锯齿波信号来驱动激光器。DFB激光器(中心波长1 533.456 nm)发出的光经过分束器(FOBS)分为两束，一束经过光纤准直器(中心波长1 550 nm)准直后通过光程为15 cm的光纤单光程气室，另一束通过光衰减器作为参考通道，当气室中乙炔浓度为0时，调整光衰减器使两束光输出光强相等。两路输出光束经过型号为LSIAPD-50的InGaAs雪崩光电二极管探测器(峰值响应波长为1 550 nm)探测，得到与光强相关的电压信号经过模数转换后输入数字正交锁相放大器处理，采用两个频率为10 kHz且正交的方波信号输入锁相放大器用于提取二次谐波信号，最终得到其幅值。

图3 近红外乙炔检测系统结构

2.3 DFB激光器发光谱

采用自主研制的DFB激光器驱动仪驱动激光器，通过测试得到激光器的温度和电流调谐特性，如图4所示。控制激光器的驱动电流为50 mA不变，通过温度控制器控制其温度从26 ℃步进到31 ℃，通过傅里叶变换光谱仪测得其光谱变化如图4(a)所示；保持激光器温度为28 ℃，改变驱动电流，测得光谱变化如图4(b)所示；不同温度下调谐激光器驱动电流时激光器的峰值波长变化如图4(c)所示。由图示结果可知，在电路恒定的情况下，随着温度的上升，激光器的发射峰值波长随之增加(红移)，变化幅度约为0.1 nm·℃-1；保持温度不变，电流每增加10 mA, 激光器发射峰值波长约增加0.05 nm。

图4 (a)驱动电流为50 mA，工作温度从26 ℃变化为31 ℃时激光器的发射光谱；(b)工作温度为26 ℃，驱动电流从50 mA变化为80 mA时激光器的发射光谱；(c)不同温度下激光器峰值波长随温度的变化曲线

Fig.4 (a) Emitting spectrum of the laser measured by tuning the operation temperature from 26 to 31 ℃ where the driving current is set to be 50 mA；(b) Emitting spectrum of the laser measured by tuning the driving current from 40 to 80 mA where the operation temperature is set to be 28 ℃；(c) Curve of emitting peak wavelength versus the driving current under different operation temperatures

图5 所用气室实物图

2.4 气室设计

由朗伯比尔定律可知气室光程越大，气体吸收越明显。采用多次反射式气室可以增加光程，但其光学结构复杂、调整困难、价格昂贵、光强衰减较大。而且激光在气室内经过多次反射后会形成标准具效应，产生光学干涉条纹，这种干涉噪声较难抑制，会降低系统的灵敏度[10]。因此设计了单光程对射式气室，其光程为15 cm，光强损耗小、结构简单、可靠性高。

3 结果与讨论

3.1 检测系统的二次谐波信号与气体浓度关系测试实验

采用静态配气法，对浓度范围为0～1%的乙炔气体样品进行了测量，得到的二次谐波幅值与浓度的关系如图6所示。从图6可以看出，乙炔气体浓度(单位: %)与二次谐波幅值(单位:V)近似呈线性关系，拟合后得到式(11)

c=0.471 9Amp[S2(t)]-0.247 3

(11)

其线性相关系数为0.998 54。

图6 二次谐波幅值与气体浓度关系

3.2 检测下限

为了测量系统的检测下限，配制了浓度为0.5%的乙炔标准气通入气室，运行检测系统，通过数字锁相放大器提取其二次谐波波形，如图7所示；在乙炔浓度为0%时提取的二次谐波波形如图8所示。

图7 浓度为0.5%时的二次谐波波形

从图7中可以看出，在乙炔浓度为0.5%时二次谐波幅值(SV)为1.511 V，0%时噪声幅值(SD)为0.064 V(见图8)，信噪比(SNR)为24.234。经过计算可以得到系统的检测下限约为: MDL=23.609用0.5%时二次谐波值(SV)1.511 V除以0%时噪声幅值(SD)可以得到0.5%×SD/SV=0.02%。

图8 浓度为0时的二次谐波波形

3.3 检测系统稳定性实验

为了测试检测系统的稳定性，将配备的浓度为0.5%的乙炔注入气室，启动检测系统，连续运行20 h，每隔10 min采集系统输出的检测浓度值，得到的120组数据如图9所示。从图9可以看出在长达20 h的时间内系统可以稳定工作；对于0.5%的乙炔气体，检测系统输出的浓度范围为0.482%～0.519%，浓度波动范围小于±4%。

图9 浓度为0.5%的乙炔标准气体的浓度测量曲线

图10 浓度为0.5%的乙炔标准气体的阿兰方差

为了进一步分析系统的稳定性，引入了Allan方差，它提供了一种识别并量化存在于数据中不同噪声项的方法。通过Allan方差能清楚地观测各类噪声随积分时间变化而产生的规律，可以对各种噪声源进行辨识，评估系统的稳定性[11-12]。在乙炔浓度为0.5%时计算得到的Allan方差曲线如图10所示。

从图10可以看出，随着积分时间延长Allan方差呈现出先减小后增大的态势，当积分时间达到1.4 s时，Allan方差处于一个平稳的状态，此时标准差为6.52 ppm。

4 结 论

利用乙炔气体分子在1.534 μm处的泛频吸收谱线，研制了一种近红外乙炔气体检测系统，实验显示该系统的检测下限为0.02%，在0.02%～1%范围内二次谐波幅值与气体浓度呈现出良好的线性关系；对浓度为0.5%的乙炔气体样品进行了长达的20 h的测量，测量结果表明，检测系统具有较好的稳定度，测量结果较真值的波动范围小于±4%。该检测系统具有响应时间快、光路简单、价格便宜、体积小、便于集成的优点，而且DFB激光器发出的激光可以耦合进光纤，从而将系统的电路部分与光路部分分离从而实现远距离气体检测，这对于工业现场乙炔气体的在线检测有着重要的意义。

[1] Wagner S, Klein M, Kathrotia T, et al. Applied Physics B, 2012, 107: 585.

[2] XIA Hua, WU Bian, ZHANG Zhi-rong, et al(夏 滑，吴 边，张志荣，等). Acta Phys. Sinica(物理学报), 2013, 62: 214208.

[3] Kluczynski P, Jahjah M, Nahle L, et al. Applied Physics B, 2011, 105: 427.

[4] Xia H, Liu W, Zhang Y, et al. Chinese Optics Letters，2008, 6: 440.

[5] Scherer J J, Paul J B, Jost H J, et al. Applied Physics B, 2013, 110: 271.

[6] Ye W L, Zheng C T, Yu X, et al. Sensors and Actuators B: Chemical, 2011, 155: 37.

[7] Durry G, Lij S, Vinogradov I, et al. Applied Physics B, 2010, 99: 339.

[8] Huang J Q, Zheng C T, Gao Z L, et al. Spectroscopy Letters, 2014, 47: 197.

[9] Cao Y, Jin W, Ho H L, et al. Applied Physics B, 2012, 109: 359.

[10] Zheng C T, Ye W L, Huang J Q, et al. Sensors and Actuators B: Chemical, 2014, 190: 249.

[11] Viciani S, Siciliani de Cumis M, Borr S, et al. Applied Physics B, 2015, 119: 21.

[12] YE Wei-lin, ZHENG Chuan-tao, WANG Yi-ding(叶玮琳，郑传涛，王一丁). Acta Optica Sinica(光学学报), 2014, 34: 273.

*Corresponding authors

(Received Oct. 5, 2015; accepted Feb. 6, 2016)

Online Detection System on Acetylene with Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy Method

HE Qi-xin1, LIU Hui-fang1, LI Bin1, PAN Jiao-qing2, WANG Li-jun2, ZHENG Chuan-tao1*, WANG Yi-ding1*

1. State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, College of Electronic Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130012, China 2. Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China

Based on tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) technique, an acetylene (C2H2) online detection system was developed by using the absorption band at the wavelength of 1.534 μm of C2H2molecule. The sensing system consists of four modules including a distributed feedback (DFB) laser, a DFB laser driver, a gas cell with single optical path and a data processing module. With the prepared standard C2H2gas sample, detailed measurements were carried out to study the detection performance of the system. Experimental results reveal that, the limit of the system (LOD) is about 0.02%; a good linear relationship is observed between C2H2gas concentration and the amplitude of the 2f signal is within the range of 0.02%～1%. A long-term measurement lasting for 20 h on a 0.5% C2H2gas sample was carried out to test the stability of the system. Compared with the C2H2detection systems utilizing quantum cascaded lasers (QCLs) and wideband incandescence, this system has great advantage due to the capability of using long-distance and low-loss optical fiber for remote monitoring. With self-developed DFB laser driver and lock-in amplifier, the system has good prospects in industrial field because of its simple structure, low price and capability of easy to be integrated.

Infrared absorption spectroscopy; Tunable diode laser absorption spectroscopy; Acetylene detection

2015-10-05，

2016-02-06

国家科技支撑计划项目(2014BAD08B03, 2013BAK06B04)，国家自然科学基金项目(61307124，61077074)，吉林省科技发展计划项目(20120707)资助

何启欣，1992年生，吉林大学电子科学与工程学院博士研究生 e-mail: heqixinn@163.com *通讯联系人 e-mail: zhengchuantao@jlu.edu.cn; wangyiding48@yahoo.com.cn

TH744.4

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)11-3501-05