基于波长调制的氨气传感系统光谱外文翻译资料

基于波长调制的氨气传感系统光谱

摘要：在近红外区域的传感系统中，已经获得开发的基于波长调制光谱检测原理的氨传感,。波长调整光谱学是一种灵敏度很高的检测原子/分子的技术。文章提出可以将其用于光通信技术的近红外区域。在这种技术中，通过对激光器的注入电流施加正弦波信号实现激光波长和强度调制，因此检测带宽转移到激光强度噪声通常较低的更高频率。基于自由空间光传播的两通道单元的光程长度分别为160厘米和16厘米，允许冗余操作和技术验证。本系统采用半导体激光器的辐射波长在1512.21nm，其中，NH3有一个很强的吸收线；氨气传感系统的控制，以及数据采集，处理和演示。

关键词：氨传感，光纤系统，近红外区，波长调制光谱，环境

1. 介绍

氨（NH 3）是一种无色气体组成氮和氢的锋利，穿透气味。敏感和连续监测NH 3相关的几个应用，如环境监测，以量化NH3排放煤矸石山燃烧[ 1 ]，DeNOx广泛应用于发电厂的过程和焚化炉，以减少氮氧化物排放量[ 2 ]，或分析呼吸NH3水平的药物诊断工具[ 3 ]。

主要的光学气体传感器技术基于吸收光谱的基础在3micro;M–25micro;微米光谱区带，近红外振动泛音和组合从1micro;M 3 M 4条–micro;[ 5 ]。各种各样的NH3分析仪和测量方法已被开发，包括差分光吸收仪[ 6 ]，可调谐二极管激光吸收光谱仪[ 7 ]，光声光谱[ 8 ]，腔衰荡谱[ 9 ]，傅立叶变换红外光谱[ 10 ]等[ 11 - 15 ]。NH3在附近有丰富的光谱红外区的光谱范围从1450nm1560纳米。最近，一些作品已开发使用吸收线在1532nm和1512 nm的工作波长为氨传感[ 16 ]。波长调制光谱（WMS）技术也在系统中使用分布式带发射反馈（DFB）激光器在结合空心1532nm波长光波导[ 17 ]。这种波导用作长光程采样单元（光路长度）3米），盘绕减少物理系统范围。基于便携式二极管激光器用振动泛音检测NH3的传感器1532 nm吸收光谱（光路）长度36m），描述了使用光纤耦合使微量气体传感器坚固的光学元件容易对齐[ 16 ]。采用气体传感器主要用于NH3浓度测量。一个基于谐振组合的NH3传感器光声光谱与直接吸收DFB激光器的光谱学技术工作在1532纳米，也被描述[ 18 ]。另一种光声光谱传感器使用激光二极管发射接近1532纳米，结合研制了一种掺铒光纤放大器大气中氨的痕量气体分析[ 19 ]。一种基于离轴集成腔的仪器输出光谱和室温附近具有发射波长的红外二极管激光器主要的光学气体传感器在1532nm，适用于各种测量气体种类[ 20 ]。在这种情况下，组合高精度光学腔的简单直接吸收光谱技术快速，灵敏，绝对气体测量。一紧凑型腔衰荡光谱大气毒性测量报告工业化合物，如氢化物和肼的氨衍生物[ 21 ]。该系统采用了具有发射波长的DFB激光二极管1527nm，并直接调制的产生衰荡波形。

目前的工作报告的发展基于WMS的氨气传感系统原理。该系统采用二极管激光器发射波长为1512.21 nm，其中NH3吸收系数约为两倍其值在1532纳米[ 22 ]。该传感系统还允许选择两个多通基于160自由空间光传播的细胞cm和光程长16cm。

2.波长调制光谱

吸收光谱是基于一个独特的光谱强度引起的特征衰减待监测气体。它发生在光

辐射与分子物种相互作用以啤酒朗伯定律为代表[ 23，24 ]，入射光强度的激光波长二极管，分别和L是相互作用长度或光穿过气体的路径长度。吸收系数其中C是气体浓度，并是气体比吸收率。WMS是一个相当吸收敏感技术原子/分子物种探测光谱学，呈现的优势，可用于近红外区域[ 23，24 ]。一个典型的实验WMS的配置由波长可调谐DFB激光二极管，一个函数发生器、气体室、光电探测器和锁定放大器，如图1所示。

这种技术包括应用正弦波调制信号，在几kHz的频率，叠加在激光偏置电流，这反过来调制波长和强度激光灯。一个斜坡信号被添加到扫描气体吸收线的激光频率。这个正弦调制在工作千赫范围将检测带宽移到更高的频率其中激光强度噪声较低[ 23，24 ]。从图1（见左侧波长谱），调制的激光与目标气体的吸收线和两种可能可以观察到的情况：（1）调制的当激光调谐到频率时，频率增加了一倍吸收线中心和（2）频率保持不变时，激光调谐出吸收线中心。因此，这调制激光与光的相互作用目标气体的吸收线产生信号施加调制的不同谐波频率见波长相关的响应测量设置在右侧的图1。[ 23，24 ]。

气体浓度通常由第二谐波恢复（2f）的激光通过同步调制频率检测，使用锁定放大器，并读取其振幅[ 23，24 ]。形式的第一和第二解调谐波如图1所示。（见波长相关的反应测量设置在右侧），其中第二谐波幅值（2f）的激光调制频率与气体成正比浓度。第一次谐波（f）成正比气体吸收线的一阶导数和波长调制激光器时等于零光以NH3气体吸收线为中心，因此，提供一个相当敏感的机制调谐中央激光波长到这条线[ 23，24 ]

3.传感系统的设计

提出的NH3气体传感系统实验是基于WMS原理（第2节）由两个自由空间组成光传播多道细胞。这种细胞不同的光程长度，即160厘米16厘米，（见图2）是通过一个光学选择开关。

一个参考气电池，以微调DFB激光器的波长发射同时，随着5.5cm光学路径长度和室温下0.263个压力的压力。

氨气传感系统的控制在图，以及采集、处理，和数据演示使用应用程式。

DFB激光二极管7mw 1512.21纳米线的宽度＜2mhz指定。纤维被拼接到99 / 1（%）定向耦合器与99%功率臂发送到光开关。1%电源臂作为参考光束通过通过参考NH3气体电池。

图3为NH3气体吸收线在1511.2nm–1513.6nm 100%浓度区，16.1个ordm;C–27.4ordm;℃的温度范围，并对于当前范围为27.5毫安- 103毫安。作为一个结果，检测到的NH3吸收线有一个中央波长为1512.21 nm，全宽度为半最大的59pm（FWHM）。

激光波长和强度为用正弦波信号调制频率为5kHz。初始注入直流电流激光器中的激光偏压和温度控制器61.3ma和21.58ordm;C，分别在调谐发射波长DFB激光器二极管到所需波长的NH3

吸收线（1512.21nm）。

将激光波长锁定到氨气吸收中心线，实验装置有组成部分的反馈回路光通过参考气体电池。这意味着，在锁定放大器的通道B（图2），第一谐波的振幅必须等于零，从而调谐激光波长针对气。

二次谐波振幅（通道）一个锁定放大器），这是成正比气体浓度，是正常的光检测器读取的平均激光强度，因此提供补偿不可取光功率起伏。

4.氨传感

实时浓度测量通过引入NH3气体内执行多通细胞，16厘米和160厘米的光学路径长度，并在室温下密封大气压（1个）。不同NH3气体浓度是通过混合校准氮气环境中的NH3样品。图4说明所得到的结果。

建议的传感系统显示的氨浓度范围从0到10%的线性响应。检测限（LOD）为0.12%和0.06%，为多通细胞与16厘米和60厘米，分别。检出限为根据[ 25 ]定义：在B和B的平均数和标准空白测量偏差（0%）浓度，分别和D K是一个因素根据所需的置信水平选择（d k被选择等于3对应于置信水平约90%）。灵敏度该系统的是坡（WMSS C）的校准曲线，其中C是NH3浓度和WMS是归一化信号测得的传感系统是成比例的气体浓度。这个信号（WMS）

通过锁相放大器的划分得到信号由光电探测器的平均值信号。在这种情况下，获得的灵敏度是

0.73 / %和% / %，为多通道细胞与16cm和160cm，分别。光的相互作用与气体在光路长度为高

多通道细胞160cm，从而导致增加在敏感性。

系统的分辨率也被测量对于每个多道单元。结果描绘在图5。

信号的变化（WMS）与由系统测量的步骤变化为3%。基于阶跃变化和均方根波动，分辨率达到0.014%和0.028%对于多通道细胞与16厘米和160厘米，分别。较短的细胞呈现更好因为内部总数的决议反射（一个内部反射）不如一个160厘米（十内部反射），因此增加的光损失与相关的信噪比退化。对于系统分辨率受益较大光与气体的长度相互作用的情况下160cm多道细胞，光学水平增加电源将是必需的，这是可以实现的考虑光放大。

这种传感系统也显示了快速响应恢复时间低于1秒。表1概述氨传感系统参数。

1. 结论

在这项工作中，氨气传感系统近红外区域已发展为基础论WMS原理。传感系统为由两个多道电池传感头组成基于自由空间光传播的16厘米和160厘米的光程长度，允许冗余操作与技术验证。用于传感系统的DFB激光器曾在1512.21nm波长，其中NH3气体具有独特的吸收响应和更强的吸收线相比，1532纳米区域，它已被用于大多数系统报告在文献中，检测氨在红外区。实验结果表明最好的灵敏度（1.80 / %），以及最好的检测限（0.06%），用具有160厘米光程长度的多通单元。然而，细胞与16厘米呈现更好分辨率（0.014%）相比，一与160cm。这种传感系统也表现出了快速响应和恢复时间低于1秒允许其在恶劣环境中使用浓度15%和28%之间的体积可能会发现

1. 收获

这项活动是由项目支持ecoal–MGT–soe3 / P2 / p714，生态

煤矸石山的燃烧管理，sudoe–INTERREG IV B.

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参考

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