基于声光可调滤光器的气体浓度红外光谱检测系统

基于声光可调滤光器的气体浓度红外光谱检测系统

1声光可调谐滤光器目前，有许多方法和气体测量仪器，但传统的光谱仪主要采用镜或灯作为色散元素。由这些元素组成的光学分析仪结构复杂，生产成本高，输出的单色光信号弱。这些设备在实际应用中受到一定的限制。自20世纪90年代以来,人们研究了一种新型的色散元件——声光可调谐滤光器(AOTF),并在光学技术领域逐渐得到了广泛地应用。AOTF与通常的单色仪相比,采用声光调制产生单色光,即通过超声射频的变化实现光谱扫描。光学系统无移动性部件,波长切换快、重现性好,程序化的波长控制使这类仪器的应用具有更大的灵活性。该系统可用于在线气体光谱测量和快速光谱分析。在国外,将声光可调谐滤光器(AOTF)作为色散元件的商品化光谱仪只有德国Maihak公司的LIMORL和Bran公司的InfraPrime等。鉴于此,本文在分析甲烷气体红外吸收光谱的基础上,以AOTF作为单色器、氙灯作为光源、多通道二极管阵列作为光电转换器件、光纤作为传光介质开发了一种新型的近红外光谱气体测量系统。2基本原则2.1气体吸收线i0exp的测定光强为I0、波长为λi的平行光入射到气室后,气室中的气体在λi处具有吸收线或吸收带,根据Beer_Lambert定律,从气室中输出的光强I(λ)与输入的光强I0(λ)和气体浓度之间的关系为I=I0exp(−αmcl)(1)Ι=Ι0exp(-αmcl)(1)式中:αm为吸收系数;c为气体浓度;l为气室长度。当气体浓度较低时,αm即是气体在λi处的吸收线形g(λ,λi),λi为吸收线的中心波长。一般情况下,αmcl≪1,则式(1)可以写为I=I0(1−αmcl)=I0[1−g(λ,λi)cl](2)Ι=Ι0(1-αmcl)=Ι0[1-g(λ,λi)cl](2)当入射光覆盖多个气体的吸收线时,式(2)可改写为I=I0[1−cl∑ig(λ‚λi)](3)Ι=Ι0[1-cl∑ig(λ‚λi)](3)如果l和αm均为已知,那么通过检测I和I0就可以得到被测气体的浓度。2.2超声衍射光波长和频率f的关系声光可调谐滤光器(AOTF)是利用声波与光波在声光介质中的相互作用来工作的。图1是AOTF的原理图。AOTF是利用新型的声光功能晶体材料(如TeO2、石英)和压电晶体换能器等制成的。它由三部分组成,即声光介质、换能器阵列、吸声体。当射频信号加到换能器上时,激励出声波并耦合到声光介质。为了防止声波反射,透过介质的声波被吸声体吸收。当复色光以一特定的角度入射到声光介质后,经过声光的相互作用,对应某个声频率,入射光被超声波衍射成两束正交偏振的单色光,一束为-1级光,一束为+1级光,分别位于零级光两侧,即单色光的波长λ与射频频率f存在着一一对应的关系。当改变声波频率时,满足动量匹配条件的衍射光波长也将相应改变,连续改变超声频率就能实现衍射光波长的快速扫描。图2为AOTF的超声频率与调制波长的对应关系。3测量系统的设计3.1系统的基本原理光谱测量系统采用双光路单探头接收方式,包括发射和接收两大部分。发射系统包括氙灯、聚焦耦合透镜和带通滤光片、接收光纤、AOTF和射频驱动;接收系统包括聚焦耦合透镜、调制盘、接收光纤、气室、二极管阵列探测器、接收电路、数据处理系统。系统的整体结构如图3所示。在光信号检测系统中,为了抑制背景光和放大器的噪声(在几百赫兹以下比较严重),一般都需要对信号进行调制,系统采用斩波器(调制盘)来实现对光束的调制。光源发出的光经聚焦、滤光后,由光纤耦合进入AOTF,出射光为透射光和衍射光,衍射角为θd。其中一路光为参考光,通过参考通道由探测器接收;另一路光作为测量光,被调制、耦合进入光纤气室,被气体吸收后的光通过光纤输入到InGaAs检测器。两路光分别用两个斩波器以不同的频率f1和f2进行斩波调制。此时,检测器接收到的光信号是混合信号,经光电转换后变为混合电信号,它们分别由两台参考频率分别为f1和f2的锁相放大器检出后变成为频率为f1和f2的电信号,这两个信号分别对应参考光路和测量光路的光强,从而实现两光路的同时测量。根据需要,RF驱动系统可以对衍射光波长进行连续或单步扫描,根据样品对光的选择性吸收,所得到的电信号发生相应的改变,对这些数据进行相应的计算、处理形成样品的光谱图。3.2虚拟设备的开发(1)采用450W氙灯光源。(2)AOTF系统是系统设计的核心部分,主要起分光单色器的作用。系统选用扫描范围为900～1900nm的TeO2晶体声光可调滤光器(由美国BRIMROSE公司制造)。(3)RF发生器。系统在DSP的控制下,对DDS(直接数字频率合成器)进行频率合成,经过低通滤波、高频放大以及CMOS功率放大后驱动AOTF。采用厂家提供的射频合成卡设计了数据采集卡。为了保持数据采集和频率切换的同步性,单独设计了虚拟设备驱动程序。(4)气室是由作者自行设计制造的,它由输入/输出透镜组成。气室结构如图4所示。气室应用了小型渐变折射率透镜,这种透镜器件与光纤的匹配性很好。可选择带尾纤的变折射率透镜,传输光纤与透镜尾纤可以直接熔接在一起,改善了耦合的稳定性。(5)检测器InGaAsPINPDA(日本淞波公司)。在红外区域(0.9～2.6μm),噪声低、灵敏性高。(6)锁相放大器和斩波器。采用EG&GPARCModel5210型和国产FS_2型作为锁相放大器。用EG&G的Model197和Model192作为斩波器。测量中两台锁相放大器均使用带通滤波,时间设定在0.3s。一台计算机通过RS232和IEEE488接口接收数据和控制采样、扫描。3.3数据库存储-分析软件系统是一个双数据库、多视窗应用程序,采用VisualC++编写,在Windows98平台上运行。其中一个数据库存储参考光谱和样品测量光谱;另一个数据库可存储进行定量分析的相关信息,包括项目信息、仪器条件、原始数据、标准工作曲线等。该软件有4个独立的视窗:扫描谱图、定量分析、校准曲线和结果输出。4个窗口可通过视窗上方的标签互相切换。整个软件系统是用来完成硬件驱动、谱图扫描、定量分析和波长校正的。4结果与分析4.1次拟合的波长误差AOTF的衍射波长取决于许多因素。首先计算机给数模转换器(ADC)一个数字(0～4096),DAC把它变成电压后送给电压控制震荡器(VCO),然后在VCO中被转换成频率,通过LiNO3压电换能器加到AOTF晶体上,射频在晶体中传播衍射出特定波长的谱线。这样一来,就难以直接建立衍射波长与频率的关系。在实际应用中,拟合了电压系数(把0～5V分为4096个部分)与衍射波长的关系。由于镨钕滤光片具有丰富的吸收峰,且不受环境和时间影响,故采用镨钕滤光片来进行波长校正。吸收峰电压系数以及对应的波长如表1所示。对所得到的7组数据进行了0～4次拟合,4次拟合的误差平方和最小。拟合方程为λ=1900−0.1894X+5.558×10−5×X2−1.244×10−8×X3+1.244×10−12×X4λ=1900-0.1894X+5.558×10-5×X2-1.244×10-8×X3+1.244×10-12×X4拟合后的波长误差如表1所示。由表1可知,采用4次拟合后所得到的波长误差均小于0.7nm,基本满足分光光度计在长波段时对波长准确性的要求。4次拟合后的校正曲线如图5所示。由4次拟合方程可以计算出AOTF分光光度计的工作范围(898.50～1890nm)。4.2甲醇吸收光谱图4.2.1甲烷气体的吸收特性以标准甲烷气体作为被测对象,对所设计的AOTF系统进行实验。图6所示是通过扫描得到的甲烷气体吸收光谱图。从图6可以看出,甲烷气体的吸收光谱非常复杂,在900～1900nm波长范围内,主要有两个最大吸收峰,即在1.35μm和1.65μm处甲烷气体对测量光有较强的吸收。由文献和文献可知,甲烷气体在2μm以下的最大吸收带是在1.331μm和1.66μm处,该值与用本文设计的系统测得的结果非常吻合。4.2.2aolf波长转换AOTF的扫描速度约为10s/100nm。应该指出的是,这个时间并不是AOTF本身扫描所需要的时间。AOTF波长的转换速度可达几个微秒,在1s时间内可完成100nm的谱段扫描。由于在实际应用中,在每一扫描点之后都留有几个毫秒的数据采集和传输时间,故延长了扫描时间。4.2.3声光互作用时aol理论上,AOTF的半峰高宽度(FWHM)由下式表示:Δλ=1.8πλ20bLsin2θi(4)Δλ=1.8πλ02bLsin2θi(4)式中:b为色散常数;L为声光互作用长度。根据瑞利准则,非共线作用时的AOTF的光谱分辨率为R=λ0Δλ=bLsin2θi1.8πλ0(5)R=λ0Δλ=bLsin2θi1.8πλ0(5)表2列出了甲烷气体在波长为1.35μm和1.65μm两个最大吸收峰处的半波宽度与分辨率。从表2可以看出,波长越长分辨率越小,这与式(4)和式(5)的计算结果是一致的。该装置的分辨率偏低的主要原因是进入AOTF的光线难以完全准直,导致了分辨率降低。此外,AOTF光谱仪的分辨率与AOTF本身的质量也有关系。4.3安装系统测试系统的响应曲线图6中,甲烷对光源发出的光强吸收主要发生在1350nm和1650nm两个波段附近,因而选择在此波段处进行气体的光谱吸收测量。根据郎伯比尔定律可以确定气体的量(波度)。方法是:调节AOTF的驱动频率,使波长固定在甲烷气体的最大吸收峰波长1.65μm处,然后对用不同浓度的纯甲烷气体与氮气的混合气体分别进行测量,分别测得光强的变化,即探测器的输出电信号,绘出相对浓度与输出电信号的变化曲线,如图7所示。从图7所示的甲烷气体浓度的响应曲线可以看出,测量系统的响应值(光强的相对变化量)与甲烷气体的浓度近似呈线性关系,线性相关系数为0.9994。在相同条件下,经多次测试,信号间的最大偏差小于5%,重复性良好。当甲烷气体浓度减小到0.10%时,可测量锁相放大后的输出信号。以光电检测时电流_电压转换中的前置放大器为主要噪声电压源,根据锁相放大器的带宽,可以推算出经甲烷气体吸收后,其信噪比S/N≈110,若把锁定放大器为1时看作是检测的极限,那么该系统的检测灵敏度大约为1/105。5检测仪器的性能特点(1)本文采用氙灯作光源,以AOTF作分光元件,用多通道InGaAs检测器进行光电转换,研制成功了一种扫描型多通道气体近红外光谱仪器。它与传统的基于机械调谐分光元件的光谱仪相比具有明显的优越性:它以声光可调滤光器作分光器件,以声光调制产生单色光,即通过超声射频的变化实现光谱扫描,波长切换快、重现性好、集光能力强;结构简单、体积小、无移动部件、操作方便;程序化的波长控制使这类仪器的应用具有更大的灵活性,根据需要能很方便地与计算机接口,通过程序控制选取波长的线性扫描输出、随机输出或多波长混合输出,数据处理快捷。(2)本系统对光谱的测量频段宽,有效波长范围为900～1900nm,光谱分辨率为60nm。分辨率与AOTF本身的质量有关,利用优质的AOTF可获得更好的分辨率。(3)用一个探测器可