基于ld波长调制环境氧气浓度实时检测技术

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1、基于LD波长调制环境氧气浓度实时检测技摘要：氧气在工业生产、环境检测、医疗卫生以及人们的日常生活中都起着非常重要的作用，国内外对高效灵敏的氧气检测手段迫切需求。为了克服传统氧气测量方法的弊端，通过改变温度和电流对激光二极管（LD）发射波长进行调节，利用氧分子在波长760nm附近的A带吸收峰，以实现对实际环境中氧气浓度的快速测量，并拥有较好的精度和线性度。与传统的基于LD调制的氧气浓度测量技术不同,该方法具有测量直接、装置简单等特点，并且适合于测量各种环境下的氧气浓度。关键词：可调谐LD；波长调制；氧气浓

2、度中图分类号：0433.1文献标识码：A引言氧气是日常工业生产的重要原料，在很多工业过程和安全系统中需要监测氧气浓度。此外氧气在环境监测、医疗卫生和人们的日常生活中也起着重要的作用[1-2]o因此，国内外对发展高效灵敏的氧气检测手段有迫切的需求。常用的传统氧气浓度检测法大致分为电化学法和物理法两大类，这些传统方法受限于其检测原理存在一些不足，比如：电化学法中的氧化错氧气传感器具有响应速度慢、寿命短的缺点；而物理法中的热磁式氧气传感器则容易受外界电磁场干扰。相比于这些氧气浓度检测方法，基于可调谐激光二极管

3、(TLD)的光谱法具有非接触、快速和受外界环境干扰小的优点，因而近年来其研究和应用越来越受到人们关注[3-4]o为了减小由于光源波动、电子元件温度漂移等因素带来的测量误差，在已有的基于LD波长调制的氧气浓度检测技术的研究中，大多利用锁相放大技术对光谱的谐波信号进行探测[5-6],锁相放大器的使用一方面使信号处理相对繁琐，另一方面大大增加了装置成本。为此在研究中，摒弃锁相放大技术，直接运用朗伯-比尔定理，利用氧气在760nm附近的吸收截面系数，根据所测得的相同波长下的单线吸收度直接估计环境中的氧气浓度。所

4、提出的方法在实验装置上更为简单，并通过实验验证了其测量精度能够满足许多场合应用的需要。2实验结果与分析在实验中使用了QPhotonics公司型号为QLD-760-10S的可调谐激光二极管，二极管的温度和电流驱动装置来自Thorlabs公司。首先通过对二极管温度和电流调谐特性的测试确定其工作点，然后依次展开对氧气吸收截面和环境中氧气浓度的测试。2.1激光二极管的温度和电流调谐特性利用光纤光谱仪对LD输出波长随温度和电流的变化特性进行了测试。(1)温度调谐特性在60mA驱动电流下调节温度从25I升高到40°

5、C,变化步距为1°C,在每个温度下均等待一定时间使温度稳定后再用光谱仪对其输出波长进行检测。所测得的LD输出波长随温度的变化关系如图2(a)所示，其变化具有较好的线性关系，通过计算得到LD的波长随温度的变化系数约为0.31nm/°Co(2)电流调谐特性由于需要利用氧气的特征吸收谱带一一A带，所以要求LD能够工作在760nm附近。根据上面测得的温度调谐特性可以知道最佳工作温度在329左右,因此LD的电流驱动特性在32°C下进行测试。改变驱动电流使其从40mA变化到80mA,变化步长为2mA,在每个驱动电流

6、下检测其输出波长，所测得的变化关系如图2(b)所示。从图中可以看出，LD的输出波长和输出功率随驱动电流的变化也近似呈线性关系，其变化系数分别为0.054nm/mAo根据图2的测试结果可以知道，在温度32°C和驱动电流60mA下，LD的输出波长在760nm附近，可以用于氧气特征吸收谱线的测量。实际中使用的温度为32°C,驱动电流为69.63mA。2.2氧气吸收截面的测量在上述LD的工作点下，用非对称的三角波调制驱动电流以实现对氧气光谱的扫描。首先测试了整套测量系统的稳定性。在30min内每隔2min对通风

7、状态下的光程为18.8m的空气的吸光度进行了测量，测得吸光度随时间的波动约为0.69%,波动可能来源于气体流动和环境振动。但总体而言，系统稳定性较好。然后，利用了纯度为100%的氧气测定了氧气在760nm处的吸收截面。纯氧气室为1m长的圆柱形气室，通过排水法在气室内充入压强为标准大气压的纯氧，之后在26£下使用如图1(a)所示光路测量了纯氧的吸光度，并利用式(3)计算得到吸收截面。对吸收截面进行了多次的重复测量，最终得到吸收截面为：(3.70123±0.00004)X10-27m2/mol(5)该结果与

8、NewnhanmDA[7]曾经测量的氧气在760nm(13159cm-1)处的吸收截面系数基本相符。2.3空气中氧气浓度的测量接下来测量了空气在760nm附近的吸收光谱，使用该光谱计算得到氧气的吸光度，并利用式(4)计算出氧气浓度。吸收光谱如图3所示。