引用本文
李春光, 林君, 董磊, 王一丁. 基于低功率分布反馈激光器和数字锁相技术的高灵敏光声气体传感器[J]. 光谱学与光谱分析, 2019,39(6): 1970-1974.
LI Chun-guang, LIN Jun, DONG Lei, WANG Yi-ding. High Sensitive Photoacoustic Gas Sensor Based on Low Output Power Laser and Digital Lock-in Technology[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2019,39(6): 1970-1974.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2019)06-1970-05  
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基于低功率分布反馈激光器和数字锁相技术的高灵敏光声气体传感器
李春光1,2,4, 林君2,*, 董磊3,*, 王一丁4
1. 吉林大学生物与农业工程学院, 吉林 长春 130022
2. 吉林大学仪器科学与电气工程学院, 国家地球物理探测仪器工程技术研究中心, 吉林 长春 130061
3. 山西大学光电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
4. 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
*通讯联系人 e-mail: lin_jun@jlu.edu.cn; donglei@sxu.edu.cn

作者简介: 李春光, 1986年生, 吉林大学生物与农业工程学院助理研究员 e-mail: lcg0213@126.com

收稿日期: 2019-01-11 接受日期: 2019-04-06
基金: 博士后创新人才支持计划(BX201700100); 中国博士后科学基金项目(2017M621206)和国家自然科学基金项目(61805099)资助
摘要

光声信号强度与光功率成正比, 然而, 高功率激光光源存在功耗高、 驱动控制电路复杂、 低成本高质量的光源可选择范围窄等缺点, 此类光源多集中在>6 μm波段, 难以实现对基频吸收带位于2~6 μm波段的分子进行有效探测。 而且, 基于商用驱动控制仪器的光声气体传感器体积较大, 不能满足多点连续移动监测工作的需要。 利用输出功率为5.2 mW的分布反馈、 带间级联激光器(ICL)和基于石英音叉的光声光谱探测方法, 在3~4 μm波段实现了nmol·mol-1水平气体分子浓度测量。 使用的ICL靶向乙烷(C2H6)基频吸收带的强吸收线2 996.88 cm-1。 通过使用自主研制的数字锁相放大器及数字激光驱动控制方法, 结合波长调制光谱技术, 实现了高灵敏检测, 同时, 有效减小了系统体积并简化了数据获取和处理过程。 首先, 结合系统原理结构, 顺次介绍了设计方案以及光、 电等模块的设计细节。 分析了目标气体及其临近干扰气体吸收谱线的模拟情况, 以及不同气压对谱线展宽及重叠干扰的影响, 最终确定系统工作气压为200 Torr。 然后, 通过对100~1 000 nmol·mol-1共6种浓度C2H6进行单周期光谱扫描测试分析, 推断系统最低检测下限(MDL)<100 nmol·mol-1。 对上述各浓度样品分别进行~10 min二次谐波(2 f)信号峰值提取测试, 系统线性性能良好, 相关度为0.999 65, 同时, 明确了气体浓度与2 f信号峰值的对应关系。 最后, 通过对氮气连续1小时测试得出系统噪声为~0.347 V, 由此估算信噪比和系统灵敏度分别为~28.56和~40 nmol·mol-1。 介绍的新型中红外C2H6传感器不仅实现了nmol·mol-1级测量, 而且, 使用自主研制的数字驱动和锁相放大器有效减小了系统体积, 弥补了使用商用仪器占用体积大的不足, 为将来实现小型化、 移动式测量的目标奠定了一定基础。 此外, 对于功率消耗无限制的其他应用, 可通过进一步完善和改进锁相和前置放大等模块的性能以及使用输出功率更高的光源进一步提高传感器灵敏度, 并应用于更多场景。

关键词: 激光传感器; 光声光谱; 半导体量子级联激光器
中图分类号:TN249 文献标志码:A
High Sensitive Photoacoustic Gas Sensor Based on Low Output Power Laser and Digital Lock-in Technology
LI Chun-guang1,2,4, LIN Jun2,*, DONG Lei3,*, WANG Yi-ding4
1. College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China
2. College of Instrumentation & Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130061, China
3. State Key Laboratory of Quantum Optics and Quantum Optics Devices, Institute of Laser Spectroscopy, Shanxi University, Taiyuan 030006, China
4. State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, College of Electronic Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130012, China
*Corresponding authors
Abstract

The intensity of photoacoustic signal is proportional to optical power. However, high power laser source has many disadvantages, such as high power consumption, complex driving and controlling circuit, the lasers with high quality and lower cost laser can't be attained easily. These kinds of laser source mostly focus on the band over 6 micron, which makes it difficult to detect the molecule in fundamental absorption band of 2~6 micron effectively. Moreover, photoacoustic gas sensors based on commercial driving and controlling instruments are more likely to have large volume, which can’t meet the needs of multi-points and continuous mobile monitoring. In this paper, nmol·mol-1 level measurement applied to molecule concentrations was realized in 3~4 micron band using low output power interband cascade laser (ICL) and a detection method which based on quartz tuning fork and photoacoustic spectroscopy. The ICL was used to target a strong ethane absorption ling at 2 996.88 cm-1 in its fundamental absorption band. High sensitive detection and system volume reduction were realized by using self-developed digital lock-in amplifier and digital laser driving and controlling method, as well as wavelength modulation spectroscopy technology. Moreover, data acquisition and processing process were simplified effectively. Firstly, system scheme and designing details of optical and electrical modules were introduced in sequence according to the system principle and structure. Simulations of target gas absorption and interference from other gases have been analyzed. Broadening and overlap conditions of absorption lines under different pressures have also been described. Working pressure of the system was determined to be 200 Torr finally. Secondly, the minimum detection limit (MDL) was deduced <100 nmol·mol-1 through performance test and analysis of one-circle spectrum scanning of ethane with 6 concentration levels (100~1 000 nmol·mol-1). The linear performance of this sensor was evaluated through ~10 min 2 f peak value extraction test using aforementioned samples. The results indicated that the correlation was 0.999 65, and the relationship between gas concentration and the amplitude of 2 f signal was clear. Finally, system noise was determined to be ~0.347 V by means of continuous 1 h test applied to nitrogen, thus the SNR and sensitivity were estimated to be ~28.56 and ~40 nmol·mol-1, respectively. The new mid-infrared C2H6 sensor introduced in this paper not only realized nmol·mol-1 level measurement but also greatly reduced the volume occupied by commercial instruments by use of digital driver and lock-in amplifier, which laid the foundation for realizing the goal of miniaturization and mobile measurement. In addition, for the applications with unlimited power consumption, sensor sensitivity can be further improved by using more powerful laser source or improving the performance of system modules such as lock-in and preamplifier, which can be applied in more fields.

Keyword: Laser sensor; Photoacoustic spectrum; Semiconductor quantum cascade laser
引言

近年来, 使用长光程气体吸收气室(MGC)的可调谐半导体激光吸收光谱技术[1]、 基于宽带麦克风的光声光谱技术(PAS)、 色散光谱技术[2]和光热干涉测量技术[3]被国内外学者广泛使用。 究其原因, 此类基于光吸收的气体探测技术有响应速度快、 测量精度高、 无需任何样品预处理和漂移小等诸多优点。 但是, 随着工业化进程的加速, 对实现装置小型化、 受环境噪声影响更小的检测技术提出了更高的要求。 石英增强光声光谱(QEPAS)[4]是一种替代的、 不同于传统PAS的方法, 它使用毫米级压电石英音叉(QTF)作为声波换能器检测由目标气体吸收调制光源引起的光声激励, 环境声波噪声对其不产生任何影响[5]。 QEPAS已被在医疗、 环境等应用中从事痕量气体探测的研究人员广泛使用[6, 7, 8]。

QTF作为声学传感元件其显著特点之一是其响应不依赖激光波长[9]。 其允许同一个基于QEPAS的痕量气体传感器使用多种类型的光源(例如: 分布反馈半导体激光器(DFB)[10]、 量子级联激光器(QCL)[11, 12]、 发光二极管(LED)[13]等)和多个波段(例如: 可见光[13]、 近红外[14]、 中红外[15]和THz光谱区[16])。 基于锑化镓(GaSb)的带间级联激光器(ICL)于2010年商业化, 其结构紧凑, 可提供连续波辐射并工作于室温条件, 通常其出射波长在3~6 μ m[17, 18]。 此外, ICL的光斑尺寸和基于QEPAS的声波探测模块(ADM)相匹配, 此波长范围对应于碳氢化合物最强的基频振动带, 也最适于得到最佳探测灵敏度。 本工作中, 使用自主研制的数字锁相、 输出前置放大和信号产生与处理等模块替代商业成品, 实现了基于低输出功率激光器的数字化、 紧凑型QEPAS传感系统用于乙烷(C2H6)探测, 在工业管道泄露多点监测和医疗诊断等领域中具有重要的研究价值。

1 实验部分
1.1 系统结构设计

基于QEPAS的C2H6气体传感系统结构原理如图1(a)所示。 激光源为输出波长3.337 μ m的连续波分布反馈二极管激光器, 激光束经焦距分别为40和50 mm的CaF2透镜进行空间传输并聚焦于石英音叉QTF的两个振臂之间, 当激光器波长覆盖气体吸收峰时激光功率约为5.2 mW。 此ADM包含一个标准QTF和两个长度为4 mm、 内径为0.8 mm的薄金属管, 起到声学微谐振器(AmR)[19]的作用。 ICL光束必须聚焦通过金属管和QTF两个振臂之间的缝隙以避免光热效应并降低背景噪声至最小[12, 20]。 使用光功率计监测ADM后端输出以验证ICL光束是否完全通过。

系统电学部分由笔记本电脑、 高速数据采集模块、 数字集成的电流驱动器和温度控制单元组成。 应用于系统的波长调制光谱技术需扫描信号和调制信号以驱动ICL, 这两个信号由LabVIEW控制的数据采集卡产生。 经测试, 使用的石英音叉共振频率f0约为32.76 kHz, 品质因数约为5 000, 因此调制信号频率f=f0/2≈ 16.38 kHz。 QTF探测到的电流信号先通过跨阻抗放大器转化为电压值, 后送入数据采集模块用于由信号产生单元触发的数据获取, 并使用自主研制的数字锁相放大模块以提取2f信号, 后者的幅度表征C2H6的浓度信息。 此外, 使用压力控制器和真空泵控制并保持ADM内部的压力, 系统实物图如图1(b)所示。

图1 基于光声光谱和数字锁相技术的C2H6检测系统
(a): 原理配置图; (b): 传感器实物图Fig.1 C2H6 detection system based on photoacoustic spectroscopy and digital lock-in amplifier
(a): Schematic configuration; (b): Photo of sensor platform

1.2 优化选择吸收谱线

C2H6在~3.3 μ m中红外光谱区具有基频吸收, 利用其强吸收带的光谱特性进行高灵敏、 针对性探测更具优势。 而且, 满足无其他吸收线干扰并能提升系统信号强度的谱线更为理想, 同时, 还应考虑激光源的可获得性。 因此, 必须对目标吸收谱线的吸收强度和干扰情况进行分析。 根据HITRAN2008数据库, 在2 996.3~2 997.6 cm-1光谱区域内, C2H6的主要干扰来自甲烷(CH4), 其他气体的干扰非常小, 可以忽略。 因此, 理论计算了此光谱区域内C2H6和CH4的吸收光谱, 如图2所示。

图2 基于HITRAN数据库的C2H6, CH4窄光谱范围(2 996.3~2 997.6 cm-1)吸收光谱
光程: 5 cm; C2H6: 10 nmol· mol-1; CH4: 1.8 μ mol· mol-1; 气压: (a) 200 Torr, (b) 300 Torr, (c) 400 Torr, (d) 500 TorrFig.2 HITRAN based absorption spectra of C2H6, CH4 in a narrow spectral range (2 996.3~2 997.6 cm-1) for 5 cm path length
C2H6 concentration: 10 nmol· mol-1, CH4 concentration: 1.8 μ mol· mol-1, Pressure: (a) 200 Torr, (b) 300 Torr, (c) 400 Torr, (d) 500 Torr

为明确高、 低气压下CH4引入的光谱干扰, 分别计算了两种气体在200~500 Torr气压下的相互干扰情况。 结果表明, 200 Torr时两谱线有交叠, C2H6检测几乎没有影响, 如图2(a)所示。 随着压力的升高, 在压力展宽作用下, 两谱线的吸收线宽逐渐变大, 相互干扰越发明显, 如图2(b), (c)和(d)所示。 虽然更低的气压可有效避免光谱重叠, 但同样限制了系统检测能力的提升。 最终, 选择受甲烷和水气等光谱干扰较小的C2H6吸收线3 336.8 nm (2 996.88 cm-1)为目标吸收线, 通过压力展宽对比试验确定合适的气压为200 Torr。

2 结果与讨论
2.1 系统标定

对100~1 000 nmol· mol-1共6种浓度C2H6进行单周期光谱扫描, 并测得2f信号如图3所示, 背景填充气体为氮气。 由于峰值吸收波长处的气体吸收不断增加, 使得2f信号最大值随气体浓度的增加而增大。 由图3可知, 100 nmol· mol-1浓度对应的2f信号清晰可见, 由此推断系统MDL< 100 nmol· mol-1。

图3 测得1 000, 800, 600, 400, 200, 100 nmol· mol-1六个浓度C2H6的2f信号Fig.3 Measured 2f waveforms for six C2H6 concentration levels of 1 000, 800, 600, 400, 200 and 100 nmol· mol-1

使用纯氮气和C2H6标准气配制得到0~800 nmol· mol-1六种不同浓度C2H6样品, 分别进行2f信号峰值提取测试以验证传感器线性度。 设置数据采集时间为50 ms, 为使测得的QEPAS信号达到稳定水平, 设置不同样品的测试间隔为~10 min。 测量各浓度C2H6得到二次谐波峰值(max(2f))的结果如图4所示。

图4 0~800 nmol· mol-1 C2H6 2f信号峰值对应校准时间的测量图; 内嵌图描绘了2f峰值对应C2H6浓度的测量数据点和拟合曲线Fig.4 Measured curves of max(2f) versus calibration time for 0, 100, 200, 400, 600, 800 nmol· mol-1 C2H6 concentration levels; Embedded graph depict experimental dots and fitting curve of max(2f) versus C2H6 concentration levels

图4内嵌图记录了上述测试的均值与C2H6浓度的函数线性相关性。 拟合相关度为0.999 65。 结果表明: 本系统用于监测C2H6浓度呈现良好的线性度, 2f信号幅度和气体浓度的关系表示为

max(2f)=0.00532c-0.00748(V)(1)

2.2 灵敏度推算

根据式(1), 通过测得2f信号幅度可推算C2H6浓度。 为了估计QEPAS系统灵敏度, 使用标称纯度99.95% C2H6样品进行光谱测试的同时测量了1.14 μ mol· mol-1 C2H6最大响应2f信号, 以及相同试验条件下使用纯氮气的系统响应。 压力和调制频率分别为200 Torr和16 380.823 Hz, 后者为QTF半倍频。

图5(a)描绘了通过扫描目标C2H6吸收线测得的C2H6吸收光谱2f信号。 其中, 扫描频率和电压分别优化为0.01 Hz 和0.01 V, 调制深度为0.141 5 cm-1。 蓝色谐波信号是5个扫描周期内测得的响应, 2f信号峰值~9.9 V。 相同条件下连续测试氮气~1 h得到信号幅值~0.347 V, 如图5(b)所示, 输出结果对应于无C2H6吸收时传感器输出的波动, 采样频率为1点· s-1。 由此得出信噪比S/N=~9.9/0.347=~28.56, 灵敏度Sen=~1 140/28.56=~40 nmol· mol-1。

图5 (a)扫描信号和测量1.14 μ mol· mol-1 C2H6样气得到的2f信号; (b)ADM充入纯N2, 1 h内测得的2f信号幅度Fig.5 (a) Scanning signal and observed 2f signal for a 1.14 μ mol· mol-1 C2H6 sample; (b) Measured amplitude of the 2f signal by flushing the ADM with pure N2 for one hour

3 结论

基于数字锁相技术和QEPAS方法的新型中红外C2H6传感器的结构设计和实验分析。 为了达到nmol· mol-1浓度水平测量, 使用了中心波长为~3.3μ m的分布反馈、 低输出功率ICL结合二次谐波波长调制技术应用于2 996.88 cm-1的无干扰目标吸收线。 使用6个C2H6样品对QEPAS传感系统的性能进行评估, 通过对系统噪声进行~1 h测试, 得到系统信噪比~28.5, 灵敏度~40 nmol· mol-1。 为实现小型化、 移动式测量的目标奠定了基础。

The authors have declared that no competing interests exist.

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