張可可，陳世哲，趙 強(qiáng)，王 波，閆星魁，王 楷，劉 野

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國家海洋監(jiān)測設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東青島 266100)

0 引言

濕度是環(huán)境監(jiān)測中的一個(gè)重要參數(shù)，在氣象、工業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域都有明確標(biāo)準(zhǔn)并需要嚴(yán)格控制，濕度已成為人們普遍關(guān)注的問題之一，如何精確、快速地實(shí)現(xiàn)環(huán)境濕度監(jiān)測已成為一大研究熱點(diǎn)。目前常用溫濕度傳感器的測濕部分采用濕敏電容[1]，在使用中存在低溫、高濕環(huán)境測量不準(zhǔn)確，響應(yīng)時(shí)間長，高濕褪濕慢等問題[2-3]。

近年來，隨著紅外光譜吸收技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員越來越認(rèn)識到它與其他常規(guī)傳感器相比所體現(xiàn)出的大量而突出的優(yōu)點(diǎn)。比如，基于紅外光譜吸收法的激光氣體分析儀無需采樣預(yù)處理，系統(tǒng)可靠性高，維護(hù)方便；測量不受背景氣體的交叉干擾，測量準(zhǔn)確性高[4]；響應(yīng)速度快，可以實(shí)時(shí)、連續(xù)地進(jìn)行測量；受粉塵與視窗污染的影響小，惡劣工業(yè)環(huán)境適應(yīng)能力大幅增強(qiáng)。

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)屬于紅外光譜氣體檢測技術(shù)的一種，具有分辨率高、靈敏度高、精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，已成為快速在線氣體濃度檢測的有效方法之一[5-6]。利用TDLAS技術(shù)測量環(huán)境濕度測量精度高、響應(yīng)速度快、不存在高濕褪濕慢等問題，具有較好的應(yīng)用前景。

1 檢測原理

根據(jù)HITRAN 2012分子光譜數(shù)據(jù)庫[7]，選擇1 392 nm波段的水分子吸收譜線進(jìn)行研究。當(dāng)一束窄帶激光穿過一定濃度的水汽時(shí)，輸出光強(qiáng)與輸入光強(qiáng)滿足Beer-Lambert定律：

I(v)=I0exp[-α(v)CL]

(1)

式中：I0為輸入光強(qiáng)；v為激光頻率；α(v)為吸收系數(shù)；C為待測水汽濃度；L為光譜吸收路徑長度。

利用高頻余弦信號對激光頻率進(jìn)行調(diào)制，激光頻率可表示為

v(t)=vc-Δvcosωt

(2)

式中：vc為激光器輸出的中心頻率；Δv為調(diào)制信號幅度；ω為調(diào)制角頻率。

對激光頻率進(jìn)行歸一化處理，可得：

(3)

式中：γ為譜線寬度；x0=(vc-v0)/γ；m為波長調(diào)制系數(shù)，m=Δv/γ。

激光器的驅(qū)動信號由直流分量、低頻三角波信號和高頻正弦波信號組成，通過改變驅(qū)動電流實(shí)現(xiàn)激光頻率掃描和調(diào)制的同時(shí)會引起激光功率的變化[8]，激光器的輸出光功率可表示為

I(t)=I0(1+pΩγ-pωmγcosωt)

(4)

式中：pΩ為三角波光功率調(diào)制系數(shù)；pω為正弦波光功率調(diào)制系數(shù)[8]。

在1個(gè)大氣壓附近，水汽吸收線的線型函數(shù)可用洛倫茲線型描述[9]，當(dāng)待測水汽光譜吸收滿足α(v)LC<<1時(shí)，輸出信號可表示為

(5)

式中α0為水汽吸收線中心頻率處的吸收系數(shù)。

利用傅里葉級數(shù)將光譜吸收后的信號展開，二次諧波的峰峰值與待測水汽濃度成正比，可用來測量水汽濃度?？紤]光強(qiáng)調(diào)制的線性和非線性部分的存在，二次諧波的探測及分析信號中引入了奇次諧波成分及高次諧波成分，使二次諧波的線型發(fā)生畸變[10]。二次諧波信號的2個(gè)波谷值是非對稱的[11]，二次諧波的峰峰值可以表示為

(6)

式中：S2,max為二次諧波的波峰值；S2,min1和S2,min2分別為二次諧波的2個(gè)波谷值。

然而，粉塵、視窗污染以及激光器功率衰減變化等因素都會使透光率發(fā)生變化，進(jìn)而影響測量得到的二次諧波的峰峰值，消除透光率的影響需找到一個(gè)在透光率發(fā)生變化時(shí)，與二次諧波峰峰值同步、同比例變化的影響因子，以二次諧波峰峰值與該因子相除來消除透光率變化對儀器線性度的影響。

目前，常用的方法是一次諧波歸一法[12]，由于一次諧波幅值的平均值與待測氣體濃度無關(guān)，與輸入光強(qiáng)成正比，以二次諧波峰峰值和一次諧波平均值的比值作為系統(tǒng)輸出，可以消除激光器功率衰減變化等因素對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響[2]。但是該方法在提取二次諧波信號的同時(shí)，需同步提取一次諧波信號，系統(tǒng)需要2路鎖相放大單元，會增加硬件電路的復(fù)雜程度。

由式(4)，正弦波有效值可以表示為

(7)

由式(7)，正弦波有效值VRMS與輸入光強(qiáng)成正比，與待測水汽濃度無關(guān)。二次諧波峰峰值和正弦波有效值的比值可以表示為

(8)

由式(8)，二次諧波峰峰值與正弦波有效值的比值與待測水汽濃度和吸收路徑長度成正比，與光強(qiáng)無關(guān)。

由于二次諧波峰峰值VPP與正弦波有效值VRMS均來源于高頻調(diào)制正弦波，所受無論是光照強(qiáng)度變化、暗電流、電路等因素的影響完全同步同比，兩者的比值與光照強(qiáng)度、透光率衰減大小均沒有關(guān)系，因此，利用正弦波有效值歸一法測量環(huán)境濕度，以二次諧波峰峰值和正弦波有效值的比值作為系統(tǒng)輸出，可以消除粉塵、視窗污染和激光器功率衰減產(chǎn)生的光強(qiáng)衰減對濕度測量的影響。

2 系統(tǒng)仿真

TDLAS濕度檢測原理框圖如圖1所示，激光器驅(qū)動信號由直流電平、低頻三角波信號和高頻正弦波信號疊加而成[13]。發(fā)射激光在吸收氣室內(nèi)產(chǎn)生水汽光譜吸收，對經(jīng)過光譜吸收的輸出信號進(jìn)行光電檢測，帶通濾波后信號分為2路，其中一路經(jīng)過前置放大、鎖相放大和低通濾波提取二次諧波峰峰值信號，另外一路經(jīng)過專用有效值處理電路和低通濾波提取正弦波有效值。以二次諧波峰峰值和正弦波有效值的比值作為輸出，可以消除粉塵、視窗污染和激光器功率衰減等因素的影響。經(jīng)過信號處理和溫度修正后得到水汽濃度，根據(jù)水汽濃度與該溫度下的飽和水汽濃度計(jì)算得到環(huán)境濕度。

圖1 TDLAS濕度測量原理框圖

激光器驅(qū)動信號波形如圖2(a)所示，波形為非對稱的。水汽吸收譜線的吸收系數(shù)如圖2(b)所示；驅(qū)動信號經(jīng)光譜吸收后的信號波形如圖2(c)所示。

(a)

(b)

(c)圖2 水汽光譜吸收仿真

圖3為鎖相放大后經(jīng)過低通濾波提取的二次諧波信號，三角波上升沿的二次諧波信號在低通后被衰減。由于存在光強(qiáng)幅度調(diào)制，二次諧波的2個(gè)波谷值呈現(xiàn)不對稱性。

圖3 低通濾波后的二次諧波信號

3 硬件實(shí)現(xiàn)

利用TEC、熱敏電阻和VCSEL單管激光器研制穩(wěn)定的激光發(fā)生源，激光器中心波長為1 392 nm。利用激光器的溫度調(diào)諧和電流調(diào)諧特性，將低頻三角波掃描信號和高頻正弦波調(diào)制信號作用在激光器的直流驅(qū)動電流上，三角波頻率為40 Hz，正弦波調(diào)制頻率為20 kHz，激光濕度傳感器響應(yīng)頻率為40 Hz，可以實(shí)現(xiàn)高速的濕度測量[8]。系統(tǒng)利用頻率掃描技術(shù)使激光頻率在待測水汽吸收峰附近掃描，同時(shí)對激光頻率進(jìn)行高頻調(diào)制，抑制激光器的1/f噪聲[8,14]。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光穿過吸收氣室，氣室采用反射式開放型氣室，半導(dǎo)體激光器和光電檢測器置于吸收氣室的同一側(cè)，光路結(jié)構(gòu)簡單易調(diào)節(jié)[2]。激光濕度傳感器樣機(jī)如圖4所示。

圖4 激光濕度傳感器

正弦波調(diào)制幅度設(shè)置對應(yīng)譜線展寬為3.1γ，在此時(shí)二次諧波峰峰值幅值取得最大值[15]。在三角波的下降沿進(jìn)行信號采集，在三角波上升沿進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。利用光電檢測器接收光譜吸收后的信號，將信號分為2路，其中一路經(jīng)過帶通濾波、鎖相放大、低通濾波提取二次諧波信號，另一路利用專用有效值處理芯片，提取光譜吸收后的正弦波有效值信號。圖5、圖6分別為低通濾波前后的二次諧波信號。

圖5 低通濾波前的二次諧波信號

圖6 低通濾波后的二次諧波信號

系統(tǒng)通過A/D采樣得到二次諧波峰峰值和正弦波有效值，以二者的比值作為系統(tǒng)輸出，抑制粉塵、視窗污染和激光器功率衰減產(chǎn)生的光強(qiáng)衰減對濕度測量的影響。吸收氣室設(shè)置溫度探頭，用于測量環(huán)境溫度，在信號處理階段對測量得到水汽濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度修正，并計(jì)算相對濕度。相較于二次諧波與一次諧波比值法，該方案只需一路鎖相放大提取電路，電路結(jié)構(gòu)更為簡單。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

樣機(jī)完成后，在國家氣象基本站進(jìn)行了比測實(shí)驗(yàn)。國家氣象基本站采用的維薩拉溫濕度傳感器HMP155A，其測濕部分采用的是聚合物高分子薄膜電容。圖7中給出的是比測期間的溫濕度測試數(shù)據(jù)，TDLAS溫濕度傳感器與維薩拉溫濕度傳感器數(shù)據(jù)一致性很好，可以證明該技術(shù)測量濕度的有效性。由于TDLAS濕度傳感器和維薩拉濕度傳感器所采用的濕度測量方法不同，二者在響應(yīng)速度上有所區(qū)別，采用TDLAS技術(shù)的激光濕度傳感器對環(huán)境濕度的變化響應(yīng)速度更快。

圖7 激光濕度傳感器與維薩拉濕度傳感器比測數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文基于可調(diào)整半導(dǎo)體激光光譜吸收技術(shù)，提出利用二次諧波峰峰值和正弦波有效值的比值測量濕度，相較于二次諧波與一次諧波比值法，該方案只需一路鎖相放大提取電路，電路結(jié)構(gòu)更為簡單。對水汽分子光譜吸收過程和信號處理過程進(jìn)行了仿真，搭建了硬件電路，采集二次諧波峰峰值信號和正弦波有效值信號，研制了激光溫濕度傳感器樣機(jī)。樣機(jī)在國家氣象基本站進(jìn)行了比測實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果顯示激光溫濕度傳感器與維薩拉溫濕度傳感器數(shù)據(jù)一致性好，濕度測量精度高，證明了TDLAS技術(shù)測量濕度的有效性，為濕度的高速、高精度測量提供了新的途徑。