基于可调谐激光吸收光谱的湿度传感器研究

张可可，陈世哲，赵 强，王 波，闫星魁，王 楷，刘 野

(齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东省海洋环境监测技术重点实验室，国家海洋监测设备工程技术研究中心，山东青岛 266100)

0 引言

湿度是环境监测中的一个重要参数，在气象、工业生产等各个领域都有明确标准并需要严格控制，湿度已成为人们普遍关注的问题之一，如何精确、快速地实现环境湿度监测已成为一大研究热点。目前常用温湿度传感器的测湿部分采用湿敏电容[1]，在使用中存在低温、高湿环境测量不准确，响应时间长，高湿褪湿慢等问题[2-3]。

近年来，随着红外光谱吸收技术的不断发展，研究人员越来越认识到它与其他常规传感器相比所体现出的大量而突出的优点。比如，基于红外光谱吸收法的激光气体分析仪无需采样预处理，系统可靠性高，维护方便；测量不受背景气体的交叉干扰，测量准确性高[4]；响应速度快，可以实时、连续地进行测量；受粉尘与视窗污染的影响小，恶劣工业环境适应能力大幅增强。

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)属于红外光谱气体检测技术的一种，具有分辨率高、灵敏度高、精度高、响应速度快等优点，已成为快速在线气体浓度检测的有效方法之一[5-6]。利用TDLAS技术测量环境湿度测量精度高、响应速度快、不存在高湿褪湿慢等问题，具有较好的应用前景。

1 检测原理

根据HITRAN 2012分子光谱数据库[7]，选择1 392 nm波段的水分子吸收谱线进行研究。当一束窄带激光穿过一定浓度的水汽时，输出光强与输入光强满足Beer-Lambert定律：

I(v)=I0exp[-α(v)CL]

(1)

式中：I0为输入光强；v为激光频率；α(v)为吸收系数；C为待测水汽浓度；L为光谱吸收路径长度。

利用高频余弦信号对激光频率进行调制，激光频率可表示为

v(t)=vc-Δvcosωt

(2)

式中：vc为激光器输出的中心频率；Δv为调制信号幅度；ω为调制角频率。

对激光频率进行归一化处理，可得：

(3)

式中：γ为谱线宽度；x0=(vc-v0)/γ；m为波长调制系数，m=Δv/γ。

激光器的驱动信号由直流分量、低频三角波信号和高频正弦波信号组成，通过改变驱动电流实现激光频率扫描和调制的同时会引起激光功率的变化[8]，激光器的输出光功率可表示为

I(t)=I0(1+pΩγ-pωmγcosωt)

(4)

式中：pΩ为三角波光功率调制系数；pω为正弦波光功率调制系数[8]。

在1个大气压附近，水汽吸收线的线型函数可用洛伦兹线型描述[9]，当待测水汽光谱吸收满足α(v)LC<<1时，输出信号可表示为

(5)

式中α0为水汽吸收线中心频率处的吸收系数。

利用傅里叶级数将光谱吸收后的信号展开，二次谐波的峰峰值与待测水汽浓度成正比，可用来测量水汽浓度。考虑光强调制的线性和非线性部分的存在，二次谐波的探测及分析信号中引入了奇次谐波成分及高次谐波成分，使二次谐波的线型发生畸变[10]。二次谐波信号的2个波谷值是非对称的[11]，二次谐波的峰峰值可以表示为

(6)

式中：S2,max为二次谐波的波峰值；S2,min1和S2,min2分别为二次谐波的2个波谷值。

然而，粉尘、视窗污染以及激光器功率衰减变化等因素都会使透光率发生变化，进而影响测量得到的二次谐波的峰峰值，消除透光率的影响需找到一个在透光率发生变化时，与二次谐波峰峰值同步、同比例变化的影响因子，以二次谐波峰峰值与该因子相除来消除透光率变化对仪器线性度的影响。

目前，常用的方法是一次谐波归一法[12]，由于一次谐波幅值的平均值与待测气体浓度无关，与输入光强成正比，以二次谐波峰峰值和一次谐波平均值的比值作为系统输出，可以消除激光器功率衰减变化等因素对系统产生的影响[2]。但是该方法在提取二次谐波信号的同时，需同步提取一次谐波信号，系统需要2路锁相放大单元，会增加硬件电路的复杂程度。

由式(4)，正弦波有效值可以表示为

(7)

由式(7)，正弦波有效值VRMS与输入光强成正比，与待测水汽浓度无关。二次谐波峰峰值和正弦波有效值的比值可以表示为

(8)

由式(8)，二次谐波峰峰值与正弦波有效值的比值与待测水汽浓度和吸收路径长度成正比，与光强无关。

由于二次谐波峰峰值VPP与正弦波有效值VRMS均来源于高频调制正弦波，所受无论是光照强度变化、暗电流、电路等因素的影响完全同步同比，两者的比值与光照强度、透光率衰减大小均没有关系，因此，利用正弦波有效值归一法测量环境湿度，以二次谐波峰峰值和正弦波有效值的比值作为系统输出，可以消除粉尘、视窗污染和激光器功率衰减产生的光强衰减对湿度测量的影响。

2 系统仿真

TDLAS湿度检测原理框图如图1所示，激光器驱动信号由直流电平、低频三角波信号和高频正弦波信号叠加而成[13]。发射激光在吸收气室内产生水汽光谱吸收，对经过光谱吸收的输出信号进行光电检测，带通滤波后信号分为2路，其中一路经过前置放大、锁相放大和低通滤波提取二次谐波峰峰值信号，另外一路经过专用有效值处理电路和低通滤波提取正弦波有效值。以二次谐波峰峰值和正弦波有效值的比值作为输出，可以消除粉尘、视窗污染和激光器功率衰减等因素的影响。经过信号处理和温度修正后得到水汽浓度，根据水汽浓度与该温度下的饱和水汽浓度计算得到环境湿度。

图1 TDLAS湿度测量原理框图

激光器驱动信号波形如图2(a)所示，波形为非对称的。水汽吸收谱线的吸收系数如图2(b)所示；驱动信号经光谱吸收后的信号波形如图2(c)所示。

(a)

(b)

(c)图2 水汽光谱吸收仿真

图3为锁相放大后经过低通滤波提取的二次谐波信号，三角波上升沿的二次谐波信号在低通后被衰减。由于存在光强幅度调制，二次谐波的2个波谷值呈现不对称性。

图3 低通滤波后的二次谐波信号

3 硬件实现

利用TEC、热敏电阻和VCSEL单管激光器研制稳定的激光发生源，激光器中心波长为1 392 nm。利用激光器的温度调谐和电流调谐特性，将低频三角波扫描信号和高频正弦波调制信号作用在激光器的直流驱动电流上，三角波频率为40 Hz，正弦波调制频率为20 kHz，激光湿度传感器响应频率为40 Hz，可以实现高速的湿度测量[8]。系统利用频率扫描技术使激光频率在待测水汽吸收峰附近扫描，同时对激光频率进行高频调制，抑制激光器的1/f噪声[8,14]。半导体激光器发出的激光穿过吸收气室，气室采用反射式开放型气室，半导体激光器和光电检测器置于吸收气室的同一侧，光路结构简单易调节[2]。激光湿度传感器样机如图4所示。

图4 激光湿度传感器

正弦波调制幅度设置对应谱线展宽为3.1γ，在此时二次谐波峰峰值幅值取得最大值[15]。在三角波的下降沿进行信号采集，在三角波上升沿进行数据处理。利用光电检测器接收光谱吸收后的信号，将信号分为2路，其中一路经过带通滤波、锁相放大、低通滤波提取二次谐波信号，另一路利用专用有效值处理芯片，提取光谱吸收后的正弦波有效值信号。图5、图6分别为低通滤波前后的二次谐波信号。

图5 低通滤波前的二次谐波信号

图6 低通滤波后的二次谐波信号

系统通过A/D采样得到二次谐波峰峰值和正弦波有效值，以二者的比值作为系统输出，抑制粉尘、视窗污染和激光器功率衰减产生的光强衰减对湿度测量的影响。吸收气室设置温度探头，用于测量环境温度，在信号处理阶段对测量得到水汽浓度数据进行温度修正，并计算相对湿度。相较于二次谐波与一次谐波比值法，该方案只需一路锁相放大提取电路，电路结构更为简单。

4 实验结果分析

样机完成后，在国家气象基本站进行了比测实验。国家气象基本站采用的维萨拉温湿度传感器HMP155A，其测湿部分采用的是聚合物高分子薄膜电容。图7中给出的是比测期间的温湿度测试数据，TDLAS温湿度传感器与维萨拉温湿度传感器数据一致性很好，可以证明该技术测量湿度的有效性。由于TDLAS湿度传感器和维萨拉湿度传感器所采用的湿度测量方法不同，二者在响应速度上有所区别，采用TDLAS技术的激光湿度传感器对环境湿度的变化响应速度更快。

图7 激光湿度传感器与维萨拉湿度传感器比测数据

5 结论

本文基于可调整半导体激光光谱吸收技术，提出利用二次谐波峰峰值和正弦波有效值的比值测量湿度，相较于二次谐波与一次谐波比值法，该方案只需一路锁相放大提取电路，电路结构更为简单。对水汽分子光谱吸收过程和信号处理过程进行了仿真，搭建了硬件电路，采集二次谐波峰峰值信号和正弦波有效值信号，研制了激光温湿度传感器样机。样机在国家气象基本站进行了比测实验，测试结果显示激光温湿度传感器与维萨拉温湿度传感器数据一致性好，湿度测量精度高，证明了TDLAS技术测量湿度的有效性，为湿度的高速、高精度测量提供了新的途径。