准连续调制激光吸收谱测量封闭室内O<sub>2</sub>浓度的研究

引用本文

邵欣, 汤海梅, 王峰, 李云龙, 檀盼龙. 准连续调制激光吸收谱测量封闭室内O₂浓度的研究 . 光谱学与光谱分析, 2018,38(12): 3713-3717
SHAO Xin, TANG Hai-mei, WANG Feng, LI Yun-long, TAN Pan-long. Research on Closed Indoor Oxygen Concentration of Quasi-Continuous Laser Modulation Absorption Spectroscopy. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018,38(12): 3713-3717. 复制到剪切板

Doi: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)12-3713-05
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准连续调制激光吸收谱测量封闭室内O₂浓度的研究

邵欣, 汤海梅, 王峰, 李云龙, 檀盼龙

天津中德应用技术大学智能制造学院, 天津 300350

作者简介: 邵欣, 1980年生, 天津中德应用技术大学智能制造学院副教授 e-mail: shaoxinme@126.com

收稿日期: 2017-07-27 接受日期: 2017-11-12

基金项目: 国家重大科学仪器设备开发专项(2012YQ06016501), 2016年天津市自然科学基金项目(17JCYBJC16800), 天津中德应用技术大学科技培育重点项目(zdkt2016-001), 天津中德应用技术大学自制实验实训设备重点项目(ZDZY2016-03C)资助

摘要

在开采煤矿的生产活动中, 遇到煤矿爆炸或地震、地质等自然灾害, 会导致坍塌、掩埋、堆积等情形, 进而形成复杂的封闭环境。如果发生人员被困等突发情况, 破灾救援、挽救生命工作显得至关重要。封闭环境中O₂的浓度随时间的变化直接威胁到被困人员的生命安全, 及时掌握被困人员所处环境的O₂浓度变化对破灾救援机器人作业实施有着非常重要的指导意义。为准确测量O₂的浓度, 以封闭室内O₂为研究对象, 综合应用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术和波长调制光谱(WMS)技术, 设计了一套准连续调制激光吸收谱实验测量O₂浓度系统, 对24 h封闭室内O₂的浓度随时间变化情况进行测量研究。实验结果表明, 封闭室内O₂的浓度受到室内人员活动的影响, 准连续调制激光吸收谱测量方法可以准确测量封闭室内的氧气变化。

关键词: 氧气; 封闭环境; 破灾救援; 准连续调制; 二次谐波

中图分类号:TP242.3 文献标识码:A

Research on Closed Indoor Oxygen Concentration of Quasi-Continuous Laser Modulation Absorption Spectroscopy

SHAO Xin, TANG Hai-mei, WANG Feng, LI Yun-long, TAN Pan-long

Intelligent Manufacturing College, Tianjin Sino-German University of Applied Sciences, Tianjin 300350, China

Abstract

Oxygen is the key material of metabolism of human body and the first need of human life activities. Explosion in coal mine production and natural disasters such as seismic hazards and geological hazards will lead to collapse, burying and accumulation, and then a complex enclosed environment will take shape. If there are signs of life in the enclosed environment, the disaster relief work will be particularly important. In particular, the measurement of oxygen content and it’s concentration change with time in enclosed environment is of very important significance to the operation of the disaster rescue robot. Therefore, an experimental system for quasi-continuous modulation laser absorption spectroscopy measurement is established, whose research object is closed in door oxygen. We measured the closed indoor oxygen concentration’s change during 24 hours based on tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) and wavelength modulation spectroscopy (WMS)The quasi continuous modulation laser absorption spectrum method can accurately measure the closed indoor oxygen change.

Key words: Oxygen; Closed environment; Disaster rescue; Quasi-continuous modulation; Second harmonic

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引言

中国是一个煤炭大国, 煤炭产量占全世界煤炭总产量的比重高达37%^[1]。据统计, 2015年我国煤炭消费总量占整体能源结构的比重为64%, 高达39.65亿吨^[2]。中国煤炭产量高, 消费量大, 煤矿开采强度则不断加大, 开采深度也逐年增加。近年来, 虽然煤矿事故发生数量和死亡人数在安全要求和严格监督下得到持续下降, 但事故的总量依然偏大^[3]。

中国是世界上自然灾害种类多、发生频率高, 灾情严重的几个国家之一^{[4, 5]}。自然灾害中, 地震灾害, 地质灾害波及范围广、破坏性强, 财产损失大和人员伤亡多。

矿难、地震、地质灾害以及其他情况形成的爆炸等, 都会导致坍塌、掩埋, 堆积等情形, 进而形成复杂封闭环境。如封闭环境下存在生命迹象, 挽救生命、破灾救援工作显得至关重要。被困人员在封闭环境中所需的最重要的物质是O₂, 及时打通供气通道并根据被困人员所处环境的O₂浓度变化及时调整救援策略是实施救援的关键, 而获得O₂浓度的核心问题是实现O₂的浓度测量。针对此背景, 设计了一套准连续调制激光吸收谱实验测量O₂浓度系统, 并以室内O₂的浓度随时间变化情况为实验对象进行研究。

1 准连续激光吸收谱测量原理

准连续信号是一类具有特定占空比且高重复率的特殊脉冲信号, 广泛应用于准连续调制光谱测量等领域^[6]。激光器不同工作方式产生的准连续激光调制信号, 分析方法有所区别。本系统采用的是“ 锯齿波+方波” 准连续激光调制信号, 示意图如图1所示。

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	图1 准连续激光调制信号Fig.1 Quasi-CW laser modulated signal

激光器通过电流的驱动发射激光, 在激光器的驱动电流为准连续电流信号时, 激光器发射的激光也为准连续光信号。激光器的驱动存在阈值电流, 在对驱动电流的调制信号进行分析时, 要给该信号加上一定的偏置电流以保证激光信号为设计的准连续信号^[7]。

当短时准连续电流驱动激光器时, 会存在一个线性的频移, 因而在t时刻, 激光器的输出频率可以表示为

$ν (t) = (ν_{c} + mt) sqr (ft) (1)$

式(1)中, ν _c表示方波驱动电流的发射频率, m表示频率变化系数, f表示方波频率, sqr(ft)表示方波信号。

根据气体的光谱测量原理, 光束照射并穿过待测气体时, 光与待测气体发生作用被吸收, 光束穿过待测气体后的光强会发生变化。根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律, 激光穿过气体后的光强可以表示为

$\begin{array}{l} I (ν) = I_{0} (ν) \exp [- α (v)] = \\ I_{0} (ν) \exp [- σ_{0} \overset{̅}{χ} (ν) NL] (2) \end{array}$

式(2)中, I₀(ν )为入射激光光强, σ ₀为吸收线强度或吸收线中心处的吸收截面, $\overset{̅}{χ}$ (ν )为气体吸收的线型函数, N为测试气体的浓度, L为测试气体的吸收光程长, α (ν )代表吸光度。 $\frac{I (ν)}{I_{0} (ν)}$ 之比代表透射率。

当测试气体是痕量气体或者浓度极低时, 激光处于弱吸收, 此情形下, 用光的强度变化之比表示吸光度, 如式(3)

$α (ν) = \frac{I_{0} (ν) - I (ν)}{I_{0} (ν)} = \frac{Δ I (ν)}{I_{0} (ν)} (3)$

位于吸收线中心处的吸光度为

$α (ν_{0}) = \frac{Δ I (ν_{0})}{I_{0} (ν_{0})} (4)$

弱吸收情形下, 将式(2)简化为

$I (ν) = I_{0} (ν) [1 - σ_{0} \overset{̅}{χ} (ν) NL] (5)$

调制激光吸收光谱仪器的输出信号主要是式(5)中的-I₀σ ₀ $\overset{̅}{χ}$ (ν )NL部分, 而不是总信号的I(ν )。由此可见, 准连续调制激光测量系统仅需要对主要输出信号部分开展分析研究。

根据红外光谱测量的理论, 在测量大气中痕量气体时, 气体的吸收谱线通常可近似为峰值标准化的洛伦兹吸收线型(洛伦兹线型)来表示气体吸收线型, 与激光器在准连续激励下的光信号相互作用后, 线型函数可表达为

$\begin{array}{l} {\overset{̅}{χ}}_{L} (ν) = \frac{(Δ ν_{L})^{2}}{[ν_{0} - ν {(t)]}^{2} + (Δ ν_{L})^{2}} = \\ \frac{(Δ ν_{L})^{2}}{[ν_{0} - (ν_{c} + mt) sqr {(ft)]}^{2} + (Δ ν_{L})^{2}} = \frac{1}{{\bar{ν}}^{2} (t) + 1} (6) \end{array}$

其中, Δ ν _L为洛伦兹线型的半高宽, ν ₀为气体吸收线的中心频率。

锁相放大器是用于解调输出谐波信号的功能结构, 输出的各次谐波信号可通过洛伦兹线型函数的傅立叶系数表示, 即

$\begin{array}{l} A_{L, n}^{even} (ν_{c}, m) = - I_{0} σ_{0} NL \frac{2 - δ_{n 0}}{τ} \int_{-}^{τ} \overset{̅}{χ} (ν) \cos (2 π nft) d t (7) \\ A_{L, n}^{odd} (ν_{c}, m) = - I_{0} σ_{0} NL \frac{2}{τ} \int_{-}^{τ} \overset{̅}{χ} (ν) \sin (2 π nft) d t (8) \end{array}$

式中δ _n₀为克罗内克符号, 积分时间τ =f^-1。分别对式积分后得

$\begin{array}{l} A_{L, n}^{even} (ν_{c}, m) = - (2 - δ_{n 0}) I_{0} R_{L, n}^{even} (ν_{c}, m, f, n) σ_{0} NL (9) \\ A_{L, n}^{odd} (ν_{c}, m) = - 2 η I_{0} R_{L, n}^{odd} (ν_{c}, m, f, n) σ_{0} NL (10) \end{array}$

当被测吸收线和光程确定时, 锁相放大器输出的n次谐波信号的幅度与被测气体浓度成正比。 n次谐波信号形状取决于式中的积分项 $R_{L, n}^{even}$ (ν _c, m, f, n)和 $R_{L, n}^{odd}$ (ν _c, m, f, n)。

锁相放大器输出的各次谐波信号均可用于反演测量气体浓度值, 但是实际应用中二次谐波信号信噪比最高且位于吸收线中心峰值处。所以, 确定二次谐波信号为准连续调制激光吸收谱测量信号。

2 准连续调制激光吸收谱实验系统

2.1 软件双相锁相放大器设计

锁相放大器常用于激光光谱分析与测量中极弱信号的测量。锁相放大器为光电信号解调装置, 在准连续调制激光吸收谱实验系统中, 滤波器参数的设置会影响到准连续信号的频率、占空比, 也会导致输出信号的幅度降低, 波形畸变失真, 尤其当输入的脉冲信号占空比较小时, 会严重影响输出信号质量, 导致信号失锁、输出错误信号。因而, 为有效避免上述问题的发生, 采用高级编程语言Matlab设计了一种软件双相锁相放大器, 如图2所示。为有效解调激光调制吸收谱准连续信号, 在系统中设计双相锁相方发起, 可同时防止检测信号与参考信号相位差带来的检测误差。

2.2 实验系统构建

选择O₂位于760.445 nm谱线为目标谱线。由HITRAN数据库可知, 该谱线有很强的吸收强度, 并且谱线温度系数较小, 即线强受温度影响较小, 在290~310 K温度情况下, 这两条谱线的线强基本不变(小于0.6%)。因此, 本文实验系统选择中心波长760.445 nm(13 150.195 cm^-1)处的氧气吸收谱线为目标谱线。

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	图2 基于Matlab的双相锁相放大器Fig.2 Dual phase lock-in amplifier based on Matlab

在O₂浓度测量实验系统中, 激光器(LD)选用美国Oclaro公司的垂直反射腔激光器(VCSEL), 波长760 nm, 功率为10 mW, 线宽小于10 MHz。实验所用激光器调制与解调信号由多通道信号发生器(Function generator)Fluke284生成。激光驱动器(LD Controller)LDC3908控制激光器运行所需的温度和电流。参照气体室(Reference cell), 用于测量已知浓度O₂, 进行O₂浓度模型反演。激光信号经空间光路(Space optical path)的待测气体吸收后, 由光电信号检测器(Photodiode)转为电信号, 由于电信号极其微弱, 不能直接被采集卡采集, 需经前置放大器(Preamplifier)放大20dB, 再经过采集卡(Data Acquisition)GAGE CS8329的采集, 将放大后的信号输入计算机中的软件锁相放大器进行二次谐波信号解调, 用于检测O₂浓度。

构建的准连续调制激光吸收谱测量室内O₂浓度实验测量系统结构如图3所示。

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	图3 O₂浓度实验测量系统Fig.3 The system of Oxygen concentration measurement

2.3 实验环境构建

测量实验在实验室内进行, 选取的实验室有一扇门, 两扇窗户, 三个工作区域, 布局如图4所示, 门处于实验室西北角处, 门外侧为走廊, 两扇窗位于南侧, 连接室外。 TDLAS实验系统的激光发射器和接收器之间的直线距离设置为1.35 m, 呈东北与西南方向斜线布置, 高于地面2.5 m。利用多次反射气体池作为实验参考气体室, 参照气体室的光程长设置为1.6 m。室内空间25平方米, 6名室内人员通常在三个工作区域活动, 不影响激光路径。

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	图4 O₂浓度测量实验室内布局图Fig.4 The laboratory layout of oxygen concentration measurement

3 实验及结果分析

3.1 O₂梯度浓度实验

利用研制的可调谐激光二极管O₂浓度测量实验系统, 测量参照气体室中不同O₂浓度的光强信号。每次O₂浓度测量采集50个周期数据, 软件锁相放大器对测量数据进行解调后, 得出二次谐波信号。实验采取7种不同浓度氧气进行测量, 二次谐波信号的线型处理结果如图5所示。

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	图5 7组不同浓度氧气的2f信号Fig.5 Seven groups of 2f signals with different concentrations of gas

由图5可知, 不同浓度氧气的二次谐波检测结果具有较好的分离性。对图5中数据使用最小平方拟合法处理实验数据, 结果如图所示, 数据建模得到O₂在该波长处的吸收光谱模型为

$Y_{p} = 9.79 X_{0} + 0.031 (11)$

式中X₀代表实际被测氧气浓度值, 单位无量纲; Y_p代表对应二次谐波峰值大小, 单位为(V)。

利用此模型, 通过对峰值数据Y_p进行反演, 即可以求出待测O₂的浓度值X₀。

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	图6 2f峰值与实际浓度的线性关系Fig.6 Linear relationship between 2f peak value and actual concentration

为了验证该模型的精确性, 对浓度5%的O₂标准气体进行6次测量与采集, 所得实验数据列于表1中。

表1 6组5%浓度O₂测量结果 Table 1 Six groups of measurement results of 5% Oxygen

由表1实验数据可知, 通过模型反演出的O₂浓度值为5.005%时, 绝对偏差最小为0.005%。 6次实验中, 由测得的二次谐波幅值反演的O₂浓度平均值为5.009%, 浓度值绝对偏差在0.005%~0.056%之间, 相对偏差在0.10%~0.92%之间, 绝对偏差平均值为0.009%, 相对偏差平均值为0.18%。由此可以看出, 该浓度模型反演结果精度较高, 可以用于O₂浓度的测量。

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	图7 (a)20%的O₂标气的连续监测; (b)Allan方差图Fig.7 (a) Continuous monitoring of 20% Oxygen; (b) Allan variance plot

为进一步评价系统的检测限和稳定性, 我们对浓度为20%的O₂标气进行了长时间测量, 如图7(a)所示。在一个多小时测量过程中, 氧气浓度示数非常稳定, 标准差为0.11%。对该数据进行Allan方差分析如图7(b)所示, 结果表明当积分时间为110 s时, 系统的检测限可达200 mg· m^-3, 积分时间继续增加, 则系统漂移占优势, 检测限会增大。

3.2 24 h室内O₂浓度实验

实验时间选择在上午9:00开始至转天上午9:00结束。 TDLAS系统每次测量结果由50个周期数据取均值得到, 每5 min输出一次O₂浓度测量结果。测量的24 h O₂浓度变化情况如图8所示。

	Figure Option View Download New Window
	图8 实验室24 h内O₂浓度变化Fig.8 Oxygen concentration varies in 24 hours of the laboratory

室内O₂浓度的平均值是20.48%, 低于室外O₂浓度, 在正常工作条件下, 实验室内O₂浓度变化范围是19.15%~21%。实验室属于封闭空间, 在23:00— 08:00阶段无人员进出和活动, 故浓度保持稳定; 08:00因开门进出, 空气的对流增加了室内的O₂浓度; 随后因实验人员的呼吸消耗氧气导致浓度下降; 此后实验室中O₂的浓度波动均因人员进出和呼吸活动。通过对图7的测量结果和实验室的实际情况可以得出结论, 即O₂的浓度变化与实际情况完全吻合。

4 结论

利用准连续信号作为激光的调制信号设计了O₂浓度实验测量系统, 激光器选用垂直反射腔激光器, 根据获得的二次谐波信号值进行O₂浓度的反演。实验结果显示, 测量浓度的绝对偏差平均值维持在0.009%, 相对偏差平均值为0.18%, 精度较高, 可用来检测室内的O₂浓度。因此, 搭建的系统能够很好地利用准连续信号应用到实际检测中, 可以为更深层次地研究准连续激光调制信号检测技术提供有意义的参考。在实际破灾救援中, 利用所提出的准连续光谱测量方法对灾难中封闭环境的O₂含量进行连续测量, 可以进一步反映被困人员的活动信息和生存状态, 为救援活动的实施提供重要的信息支撑。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

文献选项

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... 引言中国是一个煤炭大国, 煤炭产量占全世界煤炭总产量的比重高达37%^[1] ...

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LUO

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, ZHANG

Bao-liu

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Lian-hong

, et al(罗宏, 张保留, 吕连宏, 等). Climate Change Research(气候变化研究进展), 2016, 12(3): 172.

To control the coal consumption is the key measure to deal with air pollution issues, while China’s coal consumption control has not ever been decomposed to local level. With this case, based on the analysis of air pollution constraints, combined with scenario analysis and data regression, to set up the relationship between air pollutants and coal consumption, then to study the whole China’s and each provinces’ coal consumption goals in 2020 and 2030, finally to design the scheme of China’s coal consumption, which proposed the national coal consumption control target of 2020 and 2030 are respectively 4.0 billion tons and 4.5 billion tons respectively, the provinces’ is implemented according to the predictions, the summary values were 4.4 billion tons and 5.0 billion tons respectively, in view of the gap between two cases is due to the national statistical factors considered discarding duplicates, thus the results of the analysis based on national statistics will be adopted. It recommends building green economic developmental indicators of coal consumption, while appropriately increasing the proportion of coal consumption for electricity production, so as to provide technical support for China’s reasonable coal consumption of medium and long term.

Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

控制煤炭消费是应对大气污染问题的关键措施，但中国煤炭消费总量控制仍未分解与落实到地方层面。研究基于大气污染的约束分析，结合情景分析与数据回归，通过建立大气污染物与煤炭消费之间的量化关系，分析了2020、2030年全国及各省/市煤炭消费总量控制目标，初步设计了中国煤炭消费总量控制方案，提出2020和2030年全国煤炭消费量控制目标分别为40亿t和45亿t，各省则均按预测结果调整执行，汇总值分别为44亿t和50亿t，鉴于两者之间的差距在于国家统计口径考虑了重复因素的剔除，故采纳基于国家统计数据的分析结果。建议构建绿色经济发展用煤指标，适当提高电力耗煤的比例，为促进中国中长期煤炭资源的合理消费提供科技支撑。

... 65亿吨^[2] ...

2015

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... 近年来, 虽然煤矿事故发生数量和死亡人数在安全要求和严格监督下得到持续下降, 但事故的总量依然偏大^[3] ...

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... 中国是世界上自然灾害种类多、发生频率高, 灾情严重的几个国家之一^[4,5] ...

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... 中国是世界上自然灾害种类多、发生频率高, 灾情严重的几个国家之一^[4,5] ...

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... 1 准连续激光吸收谱测量原理准连续信号是一类具有特定占空比且高重复率的特殊脉冲信号, 广泛应用于准连续调制光谱测量等领域^[6] ...

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... 激光器的驱动存在阈值电流, 在对驱动电流的调制信号进行分析时, 要给该信号加上一定的偏置电流以保证激光信号为设计的准连续信号^[7] ...