李永剛 ,關(guān)淑翠 ,趙艷梅? ,張 濤 ,樊海春

(1.天津同陽科技發(fā)展有限公司,天津 300384;2.天津市環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300384)

TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectrosopy)是可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)的簡(jiǎn)稱。該技術(shù)是利用激光能量被氣體分子選頻吸收特性形成吸收光譜的原理來分析氣體成分和測(cè)量氣體濃度的一種技術(shù)。半導(dǎo)體激光器發(fā)射出的特定波長(zhǎng)的光束穿過待測(cè)氣體時(shí),待測(cè)氣體對(duì)光束進(jìn)行吸收從而使激光強(qiáng)度產(chǎn)生衰減,激光強(qiáng)度的衰減與被測(cè)氣體的濃度成正比,因此,通過測(cè)量激光強(qiáng)度衰減信息就可以分析得出待測(cè)氣體的濃度。

TDLAS 技術(shù)于20 世紀(jì)70 年代由Hinkley 和Reid 等人提出,經(jīng)過近30 年的發(fā)展,在環(huán)境科學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。TDLAS 技術(shù)利用激光二極管的波長(zhǎng)調(diào)諧特性,進(jìn)行待測(cè)氣體的分析;一般配合長(zhǎng)光程氣體池使用,具有選擇性好、靈敏度高、精度高、快速在線非接觸測(cè)量、操作簡(jiǎn)單、無需預(yù)處理樣品等優(yōu)點(diǎn)。它的技術(shù)特點(diǎn)為:激光光源線寬窄、功率密度高,探測(cè)靈敏度高于傳統(tǒng)光譜技術(shù),可達(dá)ppb～ppt 量級(jí);其次,分子光譜具有“指紋”區(qū),選擇性強(qiáng),加之激光二極管光譜分辨率高、可調(diào)諧的特性,可實(shí)現(xiàn)很窄的光譜范圍內(nèi)對(duì)待測(cè)分子進(jìn)行測(cè)量,避免了交叉干擾;最后,探測(cè)范圍廣、響應(yīng)速度快、激光器準(zhǔn)直性好,適合大氣實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。

TDLAS 技術(shù)通用性很強(qiáng),通過變換不同波長(zhǎng)掃描范圍的激光器可以實(shí)現(xiàn)從一種目標(biāo)氣體到另一種氣體的檢測(cè),并可以實(shí)現(xiàn)多種目標(biāo)氣體的同時(shí)檢測(cè)。TDLAS 技術(shù)最早采用直接吸收方法,吸收譜圖如圖1 所示[3],直接吸收法,比較簡(jiǎn)單、無需標(biāo)定便可測(cè)得氣體濃度,但是靈敏度低,受激光器、探測(cè)器、電路等低頻噪聲影響,很難滿足低濃度痕量氣體檢測(cè)的要求,于是逐漸出現(xiàn)了波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)(WMS)及頻率調(diào)制光譜技術(shù)(FMS),WMS 的調(diào)制頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣體的吸收線寬,調(diào)制度大于1,而FMS 的調(diào)制頻率大于或等于氣體的吸收線寬調(diào)制度小于1。

如圖2 為波長(zhǎng)調(diào)制光譜(WMS)技術(shù)基本流程圖,它的檢測(cè)靈敏度相對(duì)于直接接吸收方法提高了100 倍以上,其特點(diǎn)為1)得到的某次諧波信號(hào)與待測(cè)氣體濃度成比例;2)很多噪聲如1/f 噪聲在高頻段能得到有效抑制,大大提高了系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度;3)可調(diào)諧激光二極管的調(diào)諧特性好,僅需注入所需頻率的高頻電流到半導(dǎo)體激光二極管的驅(qū)動(dòng)輸入端,就可以方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器波長(zhǎng)的高頻調(diào)制。

半導(dǎo)體可調(diào)諧激光二極管的調(diào)制和解調(diào)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,本文對(duì)這方面做了響應(yīng)的研究。

1 基本原理

基本的信號(hào)流圖,如圖3 所示[2],基本上分為調(diào)制和解調(diào)兩個(gè)部分。

低頻的鋸齒波掃頻信號(hào)上疊加高頻的正弦波調(diào)制信號(hào),合成的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器。經(jīng)過調(diào)制的激光穿過待測(cè)氣體后被光電探測(cè)器接收后轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送入鎖相放大器,經(jīng)過鎖相解調(diào)輸出二次諧波,二次諧波的極值反映了待測(cè)氣體的濃度。

注入到激光器的信號(hào)如下面公式所示[1]:

式中,v0為調(diào)制的中心頻率;va為頻率調(diào)制的幅度,ω為調(diào)制的余弦信號(hào)的頻率。光通過吸收池后,光電探測(cè)器接收到信號(hào)強(qiáng)度可展開為傅里葉級(jí)數(shù):

每個(gè)諧波分量An可以通過鎖相放大器測(cè)得,當(dāng)va遠(yuǎn)小于吸收線寬時(shí),經(jīng)過泰勒級(jí)數(shù)展開,得到[1]:

由上式可知,第n次諧波分量正比于α(v) 的n次導(dǎo)數(shù),通常選擇二次諧波作為檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理和運(yùn)算。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 鋸齒波信號(hào)

本裝置通過FPGA 產(chǎn)生周期性的鋸齒波信號(hào),可以方便的修改頻率和幅度。產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)通過D/A,低通濾波,變?yōu)槟M量的鋸齒波信號(hào),電路如圖4 所示。

2.2 正弦波

通過FPGA 產(chǎn)生周期性的正弦波,通過DDS[4]方式產(chǎn)生正弦波,通過D/A,帶通通濾波,產(chǎn)生模擬量的正弦波信號(hào),電路圖如圖5 所示,DDS 是直接數(shù)字合成,DDS 技術(shù)是一種把一系列數(shù)字量形成的信號(hào)通過DAC 轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號(hào)合成技術(shù)。

兩路信號(hào),疊加后加載到激光器上。

2.3 信號(hào)處理

光電接收器接收到的信號(hào)處理,信號(hào)分為兩路,一路經(jīng)過低通濾波,濾出鋸齒波信號(hào),另外一路通過帶通濾波放大后,送入A/D 采集,變?yōu)閿?shù)字信號(hào),由FPGA 做鎖相放大處理見圖6。

整個(gè)系統(tǒng)的示意圖如圖7,開機(jī)預(yù)熱。等激光器溫度穩(wěn)定后,調(diào)制激光器的方向,使激光器能很好的返回到探測(cè)器接收面上,通過一定濃度的氣體標(biāo)定后,測(cè)試不同濃度的氣體的準(zhǔn)確性。

3 試驗(yàn)結(jié)果

通過上位機(jī)軟件,調(diào)整參數(shù);使接收到的2F 信號(hào)最大。首先調(diào)節(jié)鋸齒波的掃描范圍,使激光器的中心波長(zhǎng)位于氣體吸收峰的位置。然后調(diào)節(jié)正弦波的幅度,2F 的解調(diào)相位,使2F 信號(hào)最大。從圖8 可以看出,直流信號(hào)基本看不出有吸收的凹坑,但是經(jīng)過鎖相放大后,2F 吸收明顯。

位置和參數(shù)調(diào)整好以后,可以通氣做氣體濃度的標(biāo)定,然后做氣體濃度的反演和穩(wěn)定性等等測(cè)試。

表1 為第一天至第三天在同一實(shí)驗(yàn)環(huán)境下一種氣體的測(cè)量濃度,通過氣體分割器進(jìn)行濃度配比,獲得反演濃度與配置濃度之間的誤差。

表1 測(cè)量一種氣體的濃度和誤差值

4 結(jié)論

利用TDLAS 技術(shù)分辨率高,響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),可以測(cè)試不同種類和濃度的氣體。特別是加入了波長(zhǎng)調(diào)制和解調(diào)技術(shù),進(jìn)一步提高了測(cè)量氣體濃度的靈敏度和穩(wěn)定性,改變不同的參數(shù),增加了測(cè)試的靈活性。