基于波长调制光谱技术的在线激光氧气传感器

山西化工

SHANXI CHEMICAL INDUSTRY

Total 173No. 1，2018

111 DOI：10. 16525/j. cnki. cnl4-1109/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

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〇2浓度，并 能满足稳定快速及高灵敏度等检测要求。

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。

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LU)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KO的关系可用式(1)表述。

KO = i〇 ⑴exp[ — a〇)CL]

(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

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0. 019 pm，选择吸收波段内的谱线线宽为2. 664 pm)， 身运行产生的波纹噪声低于1 MA，所以激光器部分 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。

v=v〇 +

sin(7x»^) (2)I〇 (t) = J〇 [1 + rjsin(vut)^

(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 + ”sin(7x»，)]exp[ 一a(v〇 -hvmsin(zvi)) CLJ(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 + ysin(zut)][ — cn(v〇 -h vmsin(zut))CLJ(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)=

(6)

)2+1

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。

2H2Av2C=I0Lvma0(7)

式中：只2表示吸收信号的二次谐波幅度。当半高全 宽Ai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VCSEUT05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 Hz的锯 齿波与10 KHz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

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。

|激光控制电路|~^

~^VCSEL激光器]~~^气体池|

1上

锻齿彼

|锁相放大电路T

h~~I硅探测器I

|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 mmXl84 mm)。当通入气体不含氧气[w(〇2) = 0%，iKN2) = 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

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第38卷

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

为〇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。由于一般检测的〇2

质量分数在1 %(1〇 000 ppm)以上，因此这一误差可 忽略，且〇2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02质量 分数约为20. 6%±0. 1%，而常温标准大气压下〇2 质量分数约为20.8%。图4为由％切换到30%〇2 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。

%/u.21bj1u90uoo«

n

q0 20 40

tim60 e / s

80 100 120

图4由N2切换到30%〇2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 N 2，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，故可以认为本〇2传感器系统的响应时 间约为9 s。

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1〇%〇2进行分析，可以认为最佳积分时间为 18 s，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02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. 3 nm的VCSEL激光器

为光源，电流调谐覆盖氧气位于760 nm位置处的很 强的吸收谱线，利用波长调制光谱（W M S )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〇2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9 s，最佳的积分时间为 18 s，对应的最低检测限为78XKT6。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

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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。

[7] 张亚妮，苗润才.表面声波的激光检测技术[J].激光杂

志，2006,27(2):6-8.

[8] 赵正平，钱久春，陈藴.一种用于识别车辆进出的识别

参考文献：

[1]

闫云飞，张磊，张力，等.氧气浓度对劣质煤掺混生活污

[9]

泥燃烧特性影响[J].燃料化学学报，2013，41 (4) : 430- 435.[2] [3]

张修峰，周旋旋.煤矿井下避难硐室氧气保障系统分析 王炳忠，邹开凤.基于氧的顺磁性的氧气纯度分析仪

系统[J].激光杂志，2012,33(2) :46-47.

Zhang Yanan, Zhao Yong，Wang Qi. Low-cost and high-precision measurement of gas concentration by the way of wavelength modulation spectroscopy [J]. Optik- International Journal for Light and Electron Optics， 2015,126(23) ：4 527-4 530.

[10] Hartmann A,Strzoda R, Schrobenhauser R,et al. Ex­

tending the applicability of the Arndt formula in wave­length modulation spectroscopy for absorbance in the lower percent range [J]. Journal of Quantitative Spec­troscopy and Radiative Transfer, 2014, 133： 619-623.[11] Cassidy D T, Reid J. Harmonic detection with tunable

diode lasers-two-tone modulation [J]. Appl Phys B， 1982,29:29-41,237-285.

[J].煤炭工程，2015,47(11) :101-107.

[J].军民两用技术与产品.2008(6) :47-48.[4]

罗瑞贤，李英霞，原电池型氧传感器的研制[J]，北京化 工学院学报，1994,21(4): 71-79.[5]

罗志安，肖建中，夏风.平板式二氧化钴传感器的研究

进展[J].传感器技术，2004,23(8) :4-8.

[6] 黄俊，张建标，姜德生.髙性能荧光猝灭式光纤氧传感

器[J].传感器技术，2001，20(3)

On-line laser oxygen sensor based on wavelength modulation spectroscopy technique

LIU Yun1, WANG Weifeng2* , FU Zuowei3

(1. Shanxi Environmental Monitoring Center, Taiyuan Shanxi 030024, China；

2. College of Safety and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an Shaanxi 710054，China;

3. China Creation Precise Instrument (Tianjin) Technology Co. , Ltd. , Tianjin 300384, China)

Abstract： In order to provide a fast, sensitive and online oxygen (02) detection device, this paper built a sensor based on tuna­ble diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) with a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) as optical source, whose center emitting wavelength is 760 nm. According to the demodulating of the modulated absorption signal based on the phase-locked amplifier module, the linear function relationship of second harmonic (2f) signal amplitude and concentration of 02 is verified through the experimental data of the sensor. The experimental analysis results show that the linearity and anti-inter­ference of the sensor meet the requirements, the response time is 9 s, the best integration time is 18 s, and the corresponding detection limit is low to mass fraction 78 X 10-6. The non-contact high-sensitivity on-line laser oxygen sensor can detect the oxy­gen concentration under optical path in real time. It can be applied to the industrial field with high demand for oxygen concentra­tion detection, which is significant for improving the utilization of energy and ensuring the safety of production and life.Key words： tunable diode laser absorption spectroscopy； oxygen sensor； on-line； open path

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