基于波长调制光谱技术的在线激光氧气传感器

总第173期2018年第1期

山西化工

SHANXI CHEMICAL INDUSTRY

Total 173

No. 1，2018

111DOI：10. 16525/ l4-1109/tq. 2018. 01. 19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2%付作伟3

(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)

摘要：基于可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS)技术，以中心波长为760. 3 nm的垂直腔面发射激光器 (VCSEL)为核心，开发了一款能快速、灵敏、实时、在线地监测氧气浓度的传感器。根据锁相放大模块对

调制的吸收信号进行解调，得到二次谐波（2f)信号幅值与02浓度的线性函数关系，通过实验数据对该

传感器进行验证。实验分析结果表明，该传感器的线性和抗干扰性均满足要求，响应时间为9 s，最佳积

分时间为18 s，对应的检测限低至质量分数78 X1(T6。该非接触式高灵敏度的在线激光氧气传感器能

实时检测开放光程下的氧气浓度，可应用于对氧气浓度检测要求较高的工业现场，对能源利用率的提高

及生产生活安全的保障意义重大。

关键词：可调谐激光吸收光谱；氧气传感器；在线；开放光程

中图分类号:0652.2 文献标识码:A文章编号：1004-7050 (2018) 01 -0054-04

引言

氧气（〇2)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，一定浓度的〇2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，需对生产现场内的〇2浓度实 时监测，实现安全生产。例如，煤矿工业的地下作业 时，矿井中的〇2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，人们对于〇2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，消耗〇2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

收稿日期：2017-12-19

基金项目：国家自然科学基金青年项目（51504186);陕西省自然科学基础研究计划（2017JM5114)。

作者简介：刘云，男，1978年出生，2002年毕业于北京电力管理干部学院，工程师，现从事污染源在线监控工作。

通讯作者：王伟峰，男，副教授，硕士生导师。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〇2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TD LA S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〇2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。根据朗 伯-比尔定律，一束调制后强度为L U)的激光信号 穿透吸收系数为的待检测氧气样本时，入射光 强1。（0与透射光强K O的关系可用式(1)表述。

K O = i〇⑴e x p[ — a〇)C L](1)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

2018年第1期刘云，等：基于波长调制光谱技术的在线激光氧气传感器• 55•

0.019 pm，选择吸收波段内的谱线线宽为2.664 pm)，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。身运行产生的波纹噪声低于1MA，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。

v=v〇+s i n(7x»^)(2)

I〇(t)=J〇[1 +r j s i n(v u t)^(3)式中：U。为中心频率；为频率调制的幅度；^ 为调制指数；/=w/2tt为调制频率。则可以将公 式(1)改写为式(4)。

，)=i〇[1 + ”s i n(7x»，)]e x p[一a(v〇-h v m s i n(z v i)) C L J

(4)

假设光学薄时，即气体的吸收和强度调制非常 小且）K<1]，IU)的傅里叶展开式可近似 为式(5)。

/(^)= J〇[1 +y s i n(z u t)][ —c n(v〇-h v m s i n(z u t))C L J

(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)。

a(v)=

)2+1

(6)

式中^。为纯净气体在吸收谱线峰值处的吸收 系数;&和Aw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。

2H2A v2

C=

I0L v m a0

(7)

式中：只2表示吸收信号的二次谐波幅度。当半高全 宽A i光程L、调制频率幅度％、输出光强I。及吸 光系数％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V C SEU T05封装，oclam生产)作为发射光 源，出射光的中心波长为760 mm。为了实现快速的 数据扫描，由信号发生电路产生频率为200 H z的锯 齿波与10 K H z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

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。

|激光控制电路|~~^VCSEL激光器]~~^气体池|

^1上

|锁相放大电路h~~I硅探测器I

锻齿彼T

|信号发生电路| @--------悔理器模块|

图1〇2传感器原理图

3结果与讨论

对于搭建好的〇2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〇2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：183 mm，有效光程：320 mm;巾: 72 m mXl84 mm)。当通入气体不含氧气[w(〇2)= 0%，i K 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 该标准质量分数下〇2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中建立〇2传感器浓度检测模型，将仪 器预热30 min，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。

由图3(a)可知，对于未通入〇2，传感器显7K〇2质量分数值约为〇. 02 %(200 ppm)，

传感器响应不