基于波长调制光谱技术的在线激光氧气传感器

刘 云, 王伟峰, 付作伟

（1.山西省环境监控中心,山西 太原 030024；2.西安科技大学安全科学与工程学院,陕西 西安 710054；3.中创精仪（天津）科技有限公司,天津 300384）

引 言

氧气（O2）是人类生存的必须条件,其含量与人体的舒适度、燃料燃烧和安全生产等密切相关。在低氧环境中,人们会感到头晕、呼吸困难等。作为燃烧过程的必要气体,一定浓度的O2能够使可燃物燃烧更完全,提升能源利用率,从而节约能源并减少环境污染。工业生产时,需对生产现场内的O2浓度实时监测,实现安全生产。例如,煤矿工业的地下作业时,矿井中的O2浓度超过安全范围,就有可能引发爆炸［1］,严重威胁现场人员的生命安全［2］。因此,实时在线监测氧气的浓度对于提高能源利用率、环境保护及保障安全生产等方面意义重大。

一直以来,人们对于O2的检测方法进行了广泛研究。根据检测原理差异,主要分为顺磁性［3］、原电池［4］、氧化锆［5］以及光纤［6］等几种传感器,这些检测方法均涉及化学反应,消耗O2的同时对设备产生较大损耗,在线监测误差较大。此外,利用化学方法进行氧气浓度的检测,灵敏度较低,无法满足实际要求。实际的工业燃烧及煤矿开采现场,气体浓度处于不断变化中,稍有差池可能酿成大祸,故实时在线监测氧气浓度有助于减少不必要的损失。因此,探索一种能满足较高时间分辨率和较高灵敏度的方法来完成实时在线监测O2浓度的方法十分必要。

随着激光探测及光谱分析技术的不断发展［7－8］,考虑到在近红外波段氧气的独特吸收特征,基于可调谐激光吸收光谱技术（TDLAS）的高灵敏度和实时快速的特征,本文设计制造了一种以TDLAS技术为理论基础的实时监测氧气浓度的传感器系统,能够满足开放光路上实时监测环境中的O2浓度,并能满足稳定快速及高灵敏度等检测要求。

1 波长调制光谱技术原理

利用波长调制光谱（WMS）技术搭建系统监测痕量气体的浓度时,可以减弱光强变化和其他环境因素的影响,故常用于检测微弱信号［9－10］。根据朗伯－比尔定律,一束调制后强度为I0（t）的激光信号穿透吸收系数为α（v）的待检测氧气样本时,入射光强I0（t）与透射光强I（t）的关系可用式（1）表述。

式中：C为待测样本的浓度值；L为通过待测样本中的入射光的光程。

假定入射光的线宽与气体吸收线的线宽（本文中所使用的分布反馈式（DFB）激光器的线宽为0.019pm,选择吸收波段内的谱线线宽为2.664pm）,由固定频率的高频正弦信号对激光器所需的驱动电流进行调制,则输出激光的频率和强度可以由式（2）和式（3）描述。

式中：v0为中心频率；vm为频率调制的幅度；η为调制指数；f＝w/2π为调制频率。则可以将公式（1）改写为式（4）。

假设光学薄时,即气体的吸收和强度调制非常小［α（v）1且η1］,I（t）的傅里叶展开式可近似为式（5）。

此处,可以忽略高阶项。

当实验环境为大气压环境下,气体吸收谱线的线型表述可采用lorentz线型［11］,如式（6）。

式中：α0为纯净气体在吸收谱线峰值处的吸收系数；vg和Δv分别为吸收谱线的中心频率及谱线的半高全宽。

如果将调制幅度降低至小且吸收很少,则方程（4）可通过泰勒公式展开,高次谐波可忽略不计。通过吸收后得到的吸收信号进行傅里叶分析处理,从而获取气体的吸收谱线。利用傅里叶分析得到的二次分量,待测气体的浓度可用式（7）表征。

式中：H2表示吸收信号的二次谐波幅度。当半高全宽Δv、光程L、调制频率幅度vm、输出光强I0及吸光系数α0等均确定的情况下,待测样本气体的浓度与对应吸收位置二次谐波的大小在数值上呈正线性相关。

2 传感器设计及实验

为提高传感器稳定性,本文采用垂直腔面发射激光器VCSEL（TO5封装,oclaro生产）作为发射光源,出射光的中心波长为760mm。为了实现快速的数据扫描,由信号发生电路产生频率为200Hz的锯齿波与10KHz的高频正弦波叠加后传输至驱动激光控制电路,驱动激光器发射激光。激光驱动器自身运行产生的波纹噪声低于1μA,所以激光器部分对频率的波动影响可忽略。此外,自制的激光驱动模块具备温度控制功能,保障激光器输出波长的抗干扰性。

以TDLAS技术为理论基础进行开发的氧气传感器系统的原理图见图1。在该实验系统中,一束激光经过激光准直器完成准直并聚焦后进入自制的气体池（一次反射）,入射光束由气体池内部预置的角反射器原路返回入口端,由硅探测器（PDA10A,thorlabs）接收经气体吸收后的激光信号,并将出射的激光信号转化为电信号,经内部的自制锁相放大模块将电信号解调为谐波信号。从锁相放大模块获得解调后的2f信号经A/D后传输到处理器模块,进行后续数据处理、结果显示和保存等操作。

图1 O2传感器原理图

3 结果与讨论

对于搭建好的O2传感系统,其特性参数必须先进行校准工作,以此检验该系统是否满足实际的应用要求［11］。首先,使用气体质量流量计将标准O2气体分别配制为不同的质量分数梯度,即1%、10%、20%、30%、40%和50%,然后分别将其通入至气体池（长度：183mm,有效光程：320mm；Φ：72mm×184mm）。当通入气体不含氧气［w（O2）＝0%,w（N2）＝100%］时,系统内部的干扰称为基线噪声,锁相放大器获得不同浓度吸收信号的二次谐波信号,减去基线噪声的二次谐波信号的结果,记为该标准质量分数下O2的2f信号,则可获得该标准质量分数氧气与2f信号的数学关系,见第56页图2。随着氧浓度不断上升,2f信号的峰值逐渐增大。根据式（7）,将不同标准浓度的氧气浓度值与对应的2f信号做线性拟合处理,获得图2中的函数关系,故可根据2f信号的峰值和线性函数关系来确定氧气样本的浓度。

根据图2中建立O2传感器浓度检测模型,将仪器预热30min,分别再次通入高纯N2和空气,采用长时间检测的方法验证该传感器的稳定性,结果见第56页图3。

图2 不同标准质量分数氧气的2f信号幅值与浓度的线性关系

图3 测试结果

由图3（a）可知,对于未通入O2,传感器显示O2质量分数值约为0.02%（200ppm）,传感器响应不为0的原因是在激光发射和接收端微小间隙,因此有很短的光路暴露在空气中。由于一般检测的O2质量分数在1%（10 000ppm）以上,因此这一误差可忽略,且O2质量分数越高,该误差所占比重越小。图3（b）表明,通过本传感器测量示值可得O2质量分数约为20.6%±0.1%,而常温标准大气压下O2质量分数约为20.8%。图4为由N2切换到30%O2所得到质量分数与时间响应曲线。且由图4曲线可知,仪器在长时间工作条件下没有明显漂移,且传感器最大相对偏差约为0.1%。因此,可以认为本文所设计并搭建的氧气传感器稳定性满足要求。

图4 由N2切换到30%O2所得到质量分数与时间响应曲线

作为评价在线检测系统中常用的参数之一,响应时间的大小通常被用来评估仪器和系统的灵敏度。响应时间被定义为：从测量的特性值产生阶跃变化的10%开始记录,直到该特征值的变化且保持在超过其稳态振幅值的90%这一段范围内所需的时间。本文的实验系统中,先在气体池内充入标准N2,达到稳定后,向本系统中的自制气体池中冲入质量分数为30%的标准氧气,并对获得的信号进行数据分析,得到图4所示标准氧气的质量分数与响应时间曲线,故可以认为本O2传感器系统的响应时间约为9s。

Allan方差通常被用来评价系统的性能。记录所得allan曲线最低位置的坐标,取该纵坐标数值记为该传感器的最低检测限,即最佳灵敏度,并取该纵坐标对应的横轴坐标值记为该系统的最佳积分时间,故常采用allan方差进行系统性能的评估。本实验对10%O2进行分析,可以认为最佳积分时间为18s,对应的最低检测限为0.007 8,详见图5。为了使传感器系统获得更低的检测限,目前主要有增加激光在气室内的光程长度以及通过调整光路减小漂移和噪声等方法。

图5 利用allan方差确定测定O2传感器的检测限和最佳积分时间

4 结论

采用中心波长为760.3nm的VCSEL激光器为光源,电流调谐覆盖氧气位于760nm位置处的很强的吸收谱线,利用波长调制光谱（WMS）技术,以扣除背景后的WMS－2f信号的幅值与浓度的线性函数关系为基础,设计组建了一套能在开放光路中同时满足实时和在线要求的传感器来监测O2浓度。在环境条件为常温常压时,利用自制的气体池对该传感器系统完成了参数校正。数据结果显示,实验对于线性度和抗干扰性的要求较高,而氧气传感器能同时满足,响应时间约为9s,最佳的积分时间为18s,对应的最低检测限为78×10－6。因此,本文搭建的传感器系统满足实际生活中对环境中氧浓度的监测需求,同时能满足在工业现场中对氧气监测提出的高灵敏度、实时快速、在线检测等多个要求,并且对于安全生产、环保以及绿色能源的开发使用有着重要的促进意义。

参考文献：

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