集成Wavelength-Tunable光源光学气体传感系统

文摘

一个紧凑的仪器组成的分布反馈激光器(足协)为1.65μm是作为气体传感系统的光源开发使用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术。激光的波长调谐通过调整激光工作温度和注入电流,这是由自主研发的温度控制器和电流分别调制器。稳定性试验显示激光的波动温度范围内的±0.02°C。气体检测实验中,波长调谐的气体吸收线通过调整激光温度,然后将定期在吸收线的激光扫描当前调制器,生成一个10赫兹波信号。此外,当前的调制器是能够产生正弦波信号使用波长调制光谱气体传感系统(WMS)技术涉及提取谐波信号。光谱测试稳定性好证明,频谱测量6次每10分钟在恒定的温度和电流的条件。这个独立的仪器可以应用作为光源不同气体的检测系统通过集成相应波长的激光。

1。介绍

监视特定的气体,如甲烷(CH₄)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(有限公司₂),在许多领域都是必不可少的1- - - - - -4]。甲烷,例如,不仅是第二重要的温室气体(5),但也在煤矿造成爆炸危险气体(6]。现有的气体传感技术一般包括光学吸收、电化学、半导体、催化剂燃烧(7- - - - - -10]。光学吸收技术通常具有包括敏感种特异的检测、快速反应和不自然11]。TDLAS是一种有效的光谱气体检测的工具。它提供了一个有前途的解决气体浓度和温度检测基于可调谐二极管激光器的一个重要性质;也就是说,通过改变激光波长可以转移的驾驶条件。在TDLAS系统中,分布反馈激光器和量子级联(QC)激光经常应用作为优秀的光源光谱特征像宽调谐范围和窄谱线宽度12,13]。分布反馈激光器,这是一个类型的二极管激光器,广泛部署在许多应用程序,包括近红外(NIR)气体传感系统。QC激光器相比,分布反馈激光器通常加上光纤适合远距离探测和多点检测的应用程序。分布反馈激光器通常也比QC激光降低成本和功耗。随着激光、商业工具包括温度控制器、数字信号发生器,激光驱动程序通常是实现有效控制激光波长(14- - - - - -16]。然而,商业工具的缺点被称为昂贵,复杂,大型。因此,有必要开发一个专门的足协驾驶仪器作为一个独立的光源,以满足实验的要求,克服这些问题。

在这篇文章中,自主研发的仪器集成分布反馈激光器在1.65μ提出了m。在仪器、激光温度控制器和电流调制器开发和集成控制分布反馈激光器的波长。商业设备相比,这个独立的仪器成本更低,操作方便。实验实施以及结果表明性能良好的工具。本文的其余部分组织如下。第一节2、检测理论和相关制定简要总结。节3、设计和集成的细节提出了每个模块的性能测试。此外节4激光光谱的调制性能通过实验得到。最后的结论部分5。

2。理论

光谱强度的衰减,这是由于气体分子的吸收,是由比尔-朗伯定律所示(1),透射强度,是入射强度,是光程长度,是气体浓度。在中心波长激光发射强度,这是表示为在(2),由固定驱动电流和工作温度是恒定的。WMS技术和直接吸收光谱(DAS)两种变体TDLAS [17]。在WMS系统中,优于DAS实现更好的信噪比(信噪比),激光是另外的一个正弦波信号在赫兹范围内,看到波信号频率低很多。(表达的两个信号3)和(4)。因此,发射强度派生(2),在哪里是调制的因素。在这个仪器,可调频率的正弦波,看到波信号设置为5 kHz和10 Hz,分别为:

3所示。设计细节

3.1。系统结构

系统开发工具的结构如图1。仪器的主控制器是一种数字信号处理器(DSP)与功能,包括高性能32位中央处理单元(CPU),增强控制外围设备和足够的芯片上的记忆。优化程序加载在芯片上的记忆,没有使用外部存储器芯片。主控制器能够控制仪器的三个部分温度控制器、电流调制器和用户界面,如液晶显示器(LCD)的屏幕和输入/输出端口。为了缩小仪器大小和确保良好的性能,主要模块包括控制器,温度,和当前调制器集成在一层印刷电路板(PCB)。分布反馈激光器的安装插座也坐落在黑板上缩短必要的连接线路。主控制器的控制下,温度控制器电路负责调整和维护激光工作温度。与此同时,当前的调制器驱动激光在40 - 80 mA。天然气供应看到波信号吸收应用程序和另外正弦波信号谐波提取应用程序。用户可以设置温度的值,电流模式,和信号对应的键开/关的嵌入在前面刑法的实时条件和仪器的参数显示在LCD。 The optical output of the instrument is through a FC/APC port which is on the back penal.

3.2。温度控制器

温度控制的分布反馈激光器是气体吸收的关键实验和其他精确光谱应用程序。这是由于这样的事实,分布反馈激光器的波长在很大程度上是受工作温度的影响。当温度变化时,光纤光栅的反射速度变化和输出波长的变化。在气体检测实验,激光温度应设置精确调整气体吸收线周围的波长波长和保持稳定,避免发生转变。在这个仪器,激光温度可以调节的步骤1°C或0.05°C取决于具体情况。

集成分布反馈激光器是由半导体研究所、中国科学院(ISCAS)。激光的中心波长大约是1.65μm适合甲烷检测。它是梳辫子的30厘米光纤14-pin蝴蝶打包。热电冷却器(TEC)集成在激光器温度控制与负温度系数(NTC)热敏电阻。TEC由驱动控制电流在两个方向分别冷却和加热。这是基于珀尔帖效应。NTC热敏电阻用于传感激光温度。它的电阻与温度变化值改变。激光温度是由模拟proportion-integral-differential (PID)控制环路。

实验温度控制性能进行了评价。首先,稳定性试验进行调查在室温环境中温度波动。激光温度设定在25.65°C和温度的电压信号被ADC模块采样每30秒。20个小时期间,稳定性试验的结果显示在图2。温度的波动范围内±0.02°C所示图。这表明温度的稳定控制性能好。然后,响应时间测试进行评价PID控制环路。温度测量,同时增加和减少1°C,结果如图3。激光温度实际上是在10秒调整到目标价值为气体吸收实验是可以接受的。

3.3。当前的调制器

分布反馈激光器通常是由低频调制波信号和高频正弦波信号在气体检测系统基于TDLAS-WMS技术。激光是由恒流驱动的工具。AD5060数模转换器(DAC)部署生成10赫兹波信号。同时,直接数字合成器(DDS AD9851)应用于生成5 kHz正弦波信号谐波提取。信号的频率可以改变通过修改程序。然后,这两个信号组合在一起由一个加法电路叠加在激光。此外,DDS芯片还生成一个方波信号具有相同的频率和相位的正弦信号。它的参考信号是1和2谐波痛苦。

激光的光输出同样是当前调制后分为两束。一束穿过气体细胞吸收,另一束与参考信号的光衰减器。然后两个光信号转换为电信号通过两个InGaAs二极管相同的光电/ 1.1 W的责任。测量的电压信号的示波器(美国泰克,TDS3032C)如图4。参考信号必须调整以匹配吸收信号通过改变反馈电阻的值。看到波信号如图4(一)。然后,正弦波信号是叠加在激光和图所示4 (b)。照片的最终集成仪器如图5。在前面板,有液晶屏幕分辨率为320×240和功能键包括温度调节按钮,当前调制和开/关的信号。光输出端口位于背面面板。

(一)

(b)

4所示。实验结果

实验进行了评估仪器的光谱性能。首先,通过调整激光光谱测量温度而其他条件保持。注入电流设置为70 mA。测量的结果显示在图6。温度调整的步骤1°C。如图,激光的中心波长与温度变化是线性转移。这个结果证明是有效地调整通过调整激光波长的温度。因此,输出激光的波长可调谐的方法通过调整激光气体吸收线温度。

然后,改变了激光器的驱动电流和相应的频谱测量。如图7,电流调制导致波长转移而温度维持在25°C。电流从40增加马与马的步骤10 80毫安。与此同时,光强度也很大程度上影响优化的驱动电流。驱动电流增加时,光强按比例上升。在气体传感实验中,激光的波长调谐的吸收线首先通过调整激光温度到一个特定的价值。然后,此时激光温度固定在实验。驱动电流周期性变化来调整波长。这样,波长周期性地扫描整个气体吸收线的吸收现象。当前是调制2000次每秒执行的这个乐器的DSP计时器。

稳定性测试是为了评价仪器性能。1小时期间,光谱测量6次每10分钟,如图8。温度固定在30°C和驱动电流80毫安。如图,光谱测量稳定、中心波长在测试期间没有改变。因此,结果证明了光谱仪器的性能的稳定性好。

5。结论

一个独立的仪器气体传感系统的设计和开发。分布反馈激光器为1.65μm,甲烷检测,集成在这个乐器。由自主研发的激光波长可调谐激光器温度控制器和当前调制器。实验结果证明好激光温度和注入电流的稳定性。温度的波动范围内确定±0.02°C和光谱测量稳定在一小时。当前调制器能够产生低频波信号和高频正弦波信号WMS系统。而不是使用商业设备如激光温度控制器和信号发生器,self-integrated仪器证明可接受的性能作为气体探测系统的光源。此外,它有一个更小的尺寸和更低的成本比商业设备。通过整合其他波长的激光,仪器可以应用在传感光源系统相应的痕量气体。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者想表达他们的感谢中国国家关键技术研发项目(2013 bak06b04和2014 bad08b03号),中国国家自然科学基金(61307124和61307124号),中国的吉林省科学技术厅(20120707和20120707号科幻),长春市政科技局(11 gh01号和14 kg022)和集成光电子学国家重点实验室、吉林大学(没有。IOSKL2012ZZ12),他们的慷慨支持这项工作。

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