光学 精密工程  2018, Vol.26 Issue (8): 1855-1861   PDF    
基于TDLAS和ICL的紧凑中红外痕量气体探测系统
李春光1,3,4, 董磊2, 王一丁3, 林君1     
1. 吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 吉林 长春 130061;
2. 山西大学 激光光谱研究所 量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西 太原 030006;
3. 吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点联合实验室, 吉林 长春 130012;
4. 吉林大学 生物与农业工程学院, 吉林 长春 130022
摘要: 为了实现基于可调谐激光吸收光谱技术的高检测灵敏度、低功耗、小型中红外痕量气体传感器设计,结合锑化镓(GaSb)ICL和紧凑型多反射气体吸收气室(MPC)研制了基于不同结构传感光学核的两个小型TDLAS传感系统。两个传感光学核的总功率消耗为3.7 W,并通过探测甲烷(CH4)和甲醛(CH2O)分别验证了双层结构和单层结构系统的性能。实验结果表明:CH4和CH2O系统的检测灵敏度分别为5.0 nL/L和3.0 nL/L,测量精度分别为1.4 nL/L和1.0 nL/L。此外,相同配置情况下将两种结构系统应用于甲、乙烷(C2H6)同步检测,通过对校园环境中甲、乙烷进行连续66 h的监测试验,验证了设计的紧凑型中红外痕量气体检测系统能够稳定有效地工作,基本满足目前民用气体测量的稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求。
关键词: 激光传感器      半导体激光器      量子级联      光谱      红外     
Compact mid-infrared trace gas detection system based on TDLAS and ICL
LI Chun-guang1,3,4 , DONG Lei2 , WANG Yi-ding3 , LIN Jun1     
1. College of Instrumentation & Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130061, China;
2. State Key Laboratory of Quantum Optics and Quantum Optics Devices, Institute of Laser Spectroscopy, Shanxi University, Taiyuan 030006, China;
3. State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, College of Electronic Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130012, China;
4. College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China
*Corresponding author: LIN Jun, E-mail:lin_jun@jlu.edu.cn
Abstract: Two compact Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) sensor systems were developed based on different structural optical cores. The two optical cores combine two recent developments; gallium antimonide (GaSb)-based ICL and a compact multipass gas cell (MPC), with the aim of developing a compact TDLAS-based sensor for mid-IR gas detection with high detection sensitivity and low power consumption. The two-floor structure sensor was used for methane (CH4) measurements and the single-floor structure sensor was used for formaldehyde (CH2O) concentration measurements, with the two optical sensor cores consuming 3.7 W of power. Detection limits of~5 nL/L and~3 nL/L with measurement precisions of~1.4 nL/L and~1 nL/L were achieved for CH4 and CH2O concentration measurements, respectively. In addition, the two-structure system was used for CH4 and C2H6 detection under the same conditions over a period of 66 h campus. The results show that the sensors worked steadily and effectively. They can satisfy the system requirements of non-contact, online, real-time, high-precision, and rapid signal acquisition, as well as strong anti-jamming and high stability.
Key words: laser sensors     semiconductor lasers     quantum cascade     spectroscopy     infrared    
1 引言

痕量气体传感的多样化应用包括环境监测、工业区气体浓度检测和用于医疗诊断的呼气探测等。这些应用中,对低浓度多样痕量气体进行快速、准确和精细测量是至关重要的。可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)是一种用于实时分析气体组成的通用工具,由于它的光谱分辨率比多普勒线宽更窄,因此可对复杂的痕量气体混合成份进行有效识别和明确测量[1-4]。到目前为止,使用TDLAS技术可以有选择性地对痕量气体组份进行nL/L量级的实时探测[5]。然而,基于TDLAS的传感器的性能依赖于进行具体气体传感应用的相关激光光源。波长上至3 μm的近红外单模、分布反馈激光二极管已广泛应用于工业[6-7]。中红外单模、室温量子级联激光器(QCLs)波长下至3.7 μm[8],这使得3~3.7 μm波长成为中红外区的缺口。甲醛(CH2O)和甲烷(CH4)、丙烷(C3H8)、乙烷(C2H6)和丙烯(C3H6)等大多数碳氢化合物多种气体组分在这个缺口处均有很强的吸收特性,因为它们的基频吸收带就位于这里。随着基于单模、锑化镓(GaSb)材料的3~4 μm间带级联激光器(Interband Cascade Lser, ICL)的商业化,给基于TDLAS的传感应用,尤其是碳氢化合物的探测开创了新的机会[9-14]。ICLs和QCLs一样有很小的尺寸,并可在低功耗水平工作于室温连续模式[15]

基于TDLAS传感器的尺寸主要取决于多反射气体吸收气室(Multipass gas absorption Cell, MPC)占用的空间和相关联的气体处理系统。美国Sentinel Photonics/Aeris Technologies公司于2013年研制了体积更小的新型MPC[16-17]。相较于传统MPC使用的圆形和椭球形光斑,此MPC使用两个凹球面镜和更复杂密集的光斑,使得光斑重叠明显减少。

使用CH4、CH2O和C2H6气体检测验证光学传感器性能。CH4是温室效应的主要贡献者,并且是天然气生产、存贮和运输、煤矿勘探和液化甲烷等众多工业过程的主要安全隐患。C2H6是天然气中除甲烷外的第二大组分,且影响大气化学和气候。因此,在乡镇和城市监测甲烷和乙烷的能力是非常重要的[18-19]。CH2O是在工业和消费产品中常用的化学物质,因为它具有较高的化学反应和较好的热稳定性。目前,每年商业产生的2100万吨的一半被用作人造板胶黏剂。鉴于甲醛的致癌作用,实时监测其室内浓度水平具有重要意义[20-21]

2 传感器设计 2.1 双层结构光学核设计

使用连续波、分布反馈ICL作为系统光源(Nanoplus GmbH,Germany),此ICL采取TO-66封装形式,单模出射中红外光的中心波长为3 291 nm(3 038.5 cm-1),内部封入5 cm×5 cm×5 cm, 带有热电制冷(Thermo-electric Cooler, TEC)的立方体散热器。为了减小甲烷传感器的尺寸设计了三维折叠式光学路径,该系统共包括两层,原理框图如图 1(a)所示。ICL、可见准直光源和二向色镜处于底层(Layer 1)。二者通过二向色镜(ISO optics, model BSP-DI-25-3)进行耦合。与水平面成45°的平面镜(M1)将合束光从底层折射到顶层(Layer 2),平面镜(M2)将光束从垂直方向转换到水平方向。顶层(Layer 2)中还包括MPC、中红外探测器(MCT)和透镜等。通过使用焦距为200 mm的模式匹配透镜将光束耦合进MPC。通过调节平面镜M3和M4可微调光束的传播路径使得透镜的焦点处于MPC入口处。光束在MPC内反射435次后实现54.6 m有效光程。在出射端,光束经平面镜M5后通过焦距为35 mm的抛物面反射镜,最后汇聚到带有热电制冷功能的MCT(Vigo, PVI-4TE-4)。实物图如图 1(b)所示。

图 1 双层结构传感器光学核 Fig.1 Schematic of sensor optical core with two-floor structure

为进一步协助激光器散热,使用定制的铜制热交换器附连到立方体散热器上,使得传感平台能够与水冷系统相连。当此传感器工作在恶劣环境中时可以把水冷系统合并进来,例如高温环境(>40 ℃)。

2.2 单层结构光学核设计

为进一步缩小传感器尺寸,提高系统结构设计的机械稳定性,使用双层结构中的几个相同光学组件设计单层结构传感器光学核,如图 2(a)所示。将中心波长为630 nm的准直可见光源放置到子板上,在完成与中红外ICL光束耦合和系统光路调试的工作后可随时拆卸和安装,高效便捷。此子板可通过两个定位销与主板相连,可调光阑用以微调可见光斑的形态。主板上包含ICL,MPC,MCT和其它辅助光学元件。ICL出射的中红外光束和准直激光器出射的可见光通过二向色镜耦合后,合束光通过使用匹配透镜被耦合进MPC内。M1和M2平面镜将光束的方向转变180°,目的在于给匹配透镜提供所需的200 mm距离,同时又能通过折叠光路尽量减小光路部分所占用的空间。从MPC出射的准直ICL光束经焦距为35 mm抛物面镜后被汇聚到MCT。此外,此单层光学核在ICL和二相色镜之间加入了内嵌参考气室,是系统提升的功能设计[22-23]。ICL和二向色镜中间增加的参考气室能在目标气体不存在的时候提供一个参考信号, 以实时地确定激光器的波长,避免波长漂移。

图 2 单层结构传感器光学核 Fig.2 Schematic of sensor optical core with single-floor structure

经过安装和调试后的单层光学核的实物图如图 2(b)所示,尺寸为35.5 cm×18 cm×12.5 cm。此外, 大多数情况下此传感器不必使用水冷系统,ICL可以在TEC的作用下工作在5~15 ℃。铜质热交换器在此单层传感器设计中并未使用。

2.3 控制单元和数据处理

由于这两个传感器都使用TDLAS测量方法,故其光学核使用相同的控制单元,如图 3所示。对温度控制器进行编程以控制ICL温度,电流驱动器提供ICL驱动电流。为了缩小控制单元的尺寸,选择挪威NEO Monitors公司研制的小型低噪声激光器驱动板,其尺寸为10 cm×8 cm,低噪声电流性能和片上TEC驱动器(±3 A, 15 V)。使用配有NI DAQ采集卡(NI 6062 E)的笔记本电脑产生频率为500 Hz、带有直流补偿的锯齿波信号。此补偿决定着ICL的中心波长,而锯齿波信号用于扫描ICL中心波长。补偿的幅度取决于ICL的特性和目标吸收线的波长。连接DAQ采集卡的电脑同步获得来自MTC的光谱数据,后者采样率为250 kS/s。

图 3 基于TDLAS传感系统的控制单元原理图 Fig.3 Schematic of control unit of TDLAS based sensor system

数据处理过程如下:首先,通过使用数据采集卡以500 Hz频率扫描激光器电流以覆盖目标光谱区,采集探测器输出并对150个光谱取平均。每个光谱含有500个数据点。为了获得光谱扫描的基线,在平均谱中移动了吸收峰。随后,其余数据点用五阶多项式拟合,如图 4(a)所示。以基线拟合为基础,可计算出吸收量,然后使用从锗标准具条纹间距获得的二次多项式将它线性化。最后,使用最小二乘拟合程序对线性化吸收进行Voigt线型拟合以重新得到目标气体浓度,与文献[24]描述一致,输出速率为1 Hz。乙烷同步甲烷进行实时监测有利于提升被监测环境(例如:天然气站和大气等)的分析准确性,因此,对多系统同时工作的功耗评估十分必要。最大的TEC功率损耗为3 W,使用12 V电源以兼容汽车电瓶电压,激光器60 mA峰值电流对应的输出功率为0.72 W。因此,传感器光学核的总功耗约为3.7 W。

图 4 (a) CH4在3 038.5 cm-1处的吸收线和拟合基线;(b)计算的线性化吸收与使用Voigt线型拟合的波数的关系 Fig.4 (a) CH4 absorption line at 3 038.5 cm-1 with a fitting baseline; (b) Calculated linearized absorbance as a function of wavenumber with a Voigt-line-shape fitting
3 传感光学核性能评估 3.1 双层光学核性能评估

基于双层光学核的TDLAS传感器配有中心波长为3 291 nm的ICL用于CH4探测。选择位于3 038.5 cm-1的无干扰吸收线作为目标线在环境中进行甲烷探测。通过TEC驱动器设置ICL温度为30 ℃,2.1 V直流补偿使能电流驱动器提供42 mA的恒定电流,ICL输出功率为1.5 mW。幅度为0.4 V的锯齿波信号使得ICL电流扫描从39 mA至45 mA,对应波长从3 038 cm-1至3 039 cm-1。从室内空气中获得的150次平均CH4光谱及其拟合基线如图 4(a)所示。吸收与波长的关系通过一个长2.54 cm、自由光谱范围为1.44 GHz的锗标准具计算和线性化,如图 4(b)所示。通过Voigt线型拟合复原了浓度信息。以这种方式获得的CH4浓度值为4 μL/L。此外,系统响应时间由气体流速和MPC容积(220 mL)共同决定,对0-100-0 μL/L浓度变化的CH4传感器响应时间进行测试,上升(10%~90%)和下降(90%~10%)阶段的响应时间分别为67 s和50 s。

3.2 单层光学核性能评估

基于单层光学核的TDLAS传感器配有中心波长为3 599 nm的ICL用于CH2O探测。使用2 781.0 cm-1吸收线用于CH2O传感系统。ICL的电流和温度分别在36 mA和35 ℃时,提供光功率约为2.4 mW。MPC内压力降至266 64 Pa, 以避免光谱重叠。锯齿波信号扫描ICL电流从34 mA至38 mA,对应波长从2 780.7 cm-1至2 781.3 cm-1。从已知200 nL/L标气中获得的150次平均CH2O光谱及其拟合基线如图 5(a)所示。标准CH2O/N2混合气体从基于渗透管的痕量气体产生器(Kin-Tek Laboratories, Inc., model 491M)中获得。图 5(b)显示了线性化的吸收和拟合光谱,得到的测量值为206 nL/L。

图 5 (a) CH2O在2 781.0 cm-1处的吸收线和拟合基线;(b)计算的线性化吸收与使用Voigt线型拟合的波数的关系 Fig.5 (a) Raw CH2O absorption line at 2 781.0 cm-1 with a fitting baseline; (b) Calculated linearized absorbance as a function of wavenumber with a Voigt line shape fitting

为获得这两个TDLAS传感系统的探测极限,将纯N2引入系统中。积分时间为1 s时,CH4测量获得了约为5 nL/L的检测下限和1.4 nL/L的测量精度。而CH2O测量获得了约为3 nL/L的检测下限和1 nL/L的测量精度。此外,将单层TDLAS系统用于乙烷检测,选用的无干扰乙烷吸收线(气压≤13 332 Pa)位于3 337 nm。将两传感系统置于校园环境中以评估其检测性能,如图 6(a)所示。66小时的甲、乙烷浓度测量结果如图 6(b)所示。在此期间,可明显观测到乙烷浓度的变化趋势与甲烷十分相似,而且,每日清晨时段二者均有不同程度的吸收峰出现。此次现场测试验证了设计的紧凑型中红外痕量气体检测系统能够稳定有效地工作,基本满足目前民用气体测量的稳定可靠和高精度等要求。

图 6 (a) 甲、乙烷系统校园环境监测照片;(b) 66小时甲乙烷浓度的测量结果 Fig.6 (a) Photograph of CH4、C2H6 measurement at campus; (b) Result of ~66 h CH4、C2H6 concentration measurement
4 结论

本文设计和测试了两个基于TDLAS的气体传感光学核,使用紧凑型双层和单层结构设计,以达到低功耗高性能的目的。为了评估低功耗、高灵敏中红外TDLAS痕量传感系统的性能,二者均使用连续波、室温ICL和密集光斑MPC。对于三维折叠式光路设计,光学核为双层结构,空间尺寸为32 cm×20 cm×17 cm,此传感系统实现了CH4浓度nL/L水平的高灵敏度测量。提升版本为单层结构,空间尺寸为35.5 cm×18 cm×8 cm,约为双层结构的一半,实现了CH2O浓度nL/L水平的高灵敏度探测,并应用于甲、乙烷浓度的实地检测。目前,主要的功率消耗来自50 W的笔记本电脑,将来的传感器升级可使用基于ARM微处理器的控制单元替代数据采集卡和电脑,这会显著减小传感系统尺寸,降低其功耗并延长电池寿命。

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