基于TDLAS技术的激光氧分析仪在线标定方法研究

２０１７年第１期　分析仪器　５５　

基于ＴＤＬＡＳ技术的激光氧分析仪在线标定方法研究　

刘立富　张涵　温作乐　于志伟　（杭州泽天科技有限公司，杭州３１００５２）　

摘要：基于可调谐半导体激光吸收光谱（ＴＤＬＡｓ）技术的激光氧分析仪，可以实现原位测量方式对样气中的　氧气含量进行快速检测。但是随着仪器长时间的使用，由于激光器、光电检测器及硬件电路等方面的原因造成仪　器测量结果出现漂移，此时需要对仪器进行标定。目前，激光氧分析仪标定方式采用离线标定方式，较费时费力。　通过波长扫描技术同时扫描到谱线不重合且距离较近的被测气体”Ｏｚ和参比气体”０ｚ的吸收谱线，对氧气同位　素”０　信号在线检测，从而实现对被测气体“０　的在线标定。通过测试表明该在线标定方法准确度可以达到≤±　０．５　Ｆ．Ｓ，能够满足实际应用。　关键词：ＴＤＬＡＳ激光光谱在线标定　氧气测量　’　Ｄ０Ｉ：１０．３９３６／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—２３２ｘ．２０１７．Ｏ１．Ｏ１２　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｏｎｌｉｎｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｌａｓｅｒ　ｏｘｙｇｅｎ　ａｎａｌｙｚｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＴＤＬＡＳ．Ｌｉｕ　Ｌｉｆｕ，Ｚｈａｎｇ　Ｈａｎ，　Ｗｅｎ　Ｚｕｏｌｅ，Ｙｕ　Ｚｈｉｗｅｉ（Ｈａｎｇｚｈｏｕ　Ｚｅｔｉａｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００５２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｏｒｍａｌｌｙ，ｔｈｅ　ａｎａｌｙｚｅｒ　ｉｓ　ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ　ｏｆｆ　ｌｉｎｅ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｅａｓｙ　ｔｏ　ｏｐｅｒａｔｅ．Ｂｙ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｌｉｎｅ　ｏｆ¨０２　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｃｌｏｓｅ　ｔＯ　ｔｈｅ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｌｉｎｅ　ｏｆ¨０２　ｉｓ　ｓｃａｎｎｅｄ　ｉｎ　

ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｄｏｎｅ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｏ２．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａ—　

ｃｙ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　４－０．５　Ｆ．Ｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄ：ＴＤＬＡＳ；ｌａｓｅｒ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ｏｎｌｉｎｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ；ｏｘｙｇｅｎ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　

氧气是工业生产过程中重要的气体之一，其浓　度含量对降低能耗、安全控制及优化燃烧效率等方　

面具有重要意义，故在工业过程中需要对氧气含量　进行在线实时监测显得尤为重要。传统的测量方　

法采用非色散红外光谱、磁氧表等分析方法，具有　预处理管路易堵塞、部件易损坏及响应慢等缺点＿１］。　

近年，基于ＴＤＬＡＳ技术平台的激光氧分析仪通过　原位安装方式解决上述问题，且成功应用在高炉喷　

煤安全分析、电除尘安全分析、电捕焦安全监测及　热风炉烟气分析等场合。　激光氧分析仪采用“单线光谱”技术和激光波　

长扫描技术使ＴＤＬＡＳ技术比非分光红外等传统采　样气体分析系统具有更强的环境适应性，通过原位　测量方式实现氧气含量检测，无需复杂的预处理系　

统。具有测量不受背景气体交叉干扰，不受粉尘与　视窗污染的影响，响应速度快，可靠性高，维护量少　和维护费用低等优点ｒ－　，大大提升了在线过程氧气　含量检测的水平。但是，原位式激光氧分析仪在进　行标定时，需要将发射单元和接收单元从烟囱管道　

两侧的连接法兰上拆卸下来，安装在标定管两端，　

标定完成后再安装回连接法兰两侧。该离线标定　方式效率较低、操作较繁琐，故需要研究一种高效　

的在线标定方式来代替离线标定。　

本研究基于ＴＤＬＡＳ技术原理，采用单光路设　计方式，将密封　Ｏ　的参比气室置于光路中。通过　

三角波扫描技术同时扫描到Ｍ　Ｏ　和　ｏ　的吸收谱　

线，利用　Ｏ。的二次谐波信号来在线标定　Ｏ　的浓　度。目前，国内外激光氧分析仪大多采用离线标定　

方式，德国ＳＩＥＭＥＮＳ公司推出ＳＩＴＲＡＮＳ　ＳＬ激光　氧分析仪产品能够实现在线标定功能。国内目前　

对于ＴＤＬＡＳ技术在线标定功能的研究还需要进一　步加强，以实现原位式激光气体分析仪产品的在线　

标定功能。　

作者简介：刘立富，男，１９８５年出生，硕士研究生，工程师，主要从事激光光谱分析技术方面的研究，Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉｆｕ—ｌｉｕ＠１２６．ｃｏｍ。

　５６　分析仪器　２０１７年第１期　

１　基本原理　

ＴＤＬＡＳ技术利用半导体激光器的波长可调谐　

性，获取被测气体特征吸收谱线的光谱信息，从而　实现对被测气体进行定量分析的一种技术。根据　

Ｂｅｅｒ—Ｌａｍｂｅｒｔ关系＿３］，在未饱和的弱吸收情况下，　

半导体激光穿过被测气体的光强衰减可用以下公　式表述：　

Ｊ　一Ｉｏ丁（　）一Ｌｅｘｐ［一Ｓ（Ｔ）ｇ（ｕ—　ｏ）ＰＸＬ］　

（１）　式中：　。和Ｊ　分别表示频率为　的窄带激光入　

射时和经过光程Ｌ、气体压力Ｐ和体积浓度为Ｘ的　气体后的光强。Ｓ（Ｔ）为气体吸收的谱线强度，线形　

函数ｇ（ｖ一　）表示该吸收谱线的形状　，它与气体　

温度、压力及成分含量等因素有关。在近红外区　

域，气体谱线吸收强度较弱，一般会满足式（２）条件。　

Ｓ（Ｔ）ｇ（ｕ一　）ＰＸＬ≤０．０５　（２）　当满足式（２）条件时，被测气体浓度结果会有　

较好的线性，此时式（１）可近似等于式（３）。　Ｉ　≈１０［１一Ｓ（Ｔ）ｇ（ｖ—ｖ。）ＰＸＬ］　（３）　

在气体检测与浓度分析中，为了提高探测灵敏　

度，一般会根据现场工况信息选择合适的吸收谱线　和合适的激光器调制参数。采用波长调制技术，使　

用正弦信号调制和锁相放大器提取气体吸收信号　

的二次谐波成为抑制噪声的重要手段　。ＴＤＬＡＳ　技术利用激光波长的可调谐性，获取待测气体特征　

吸收的光谱谱线，从而进行定量分析。波长调制光　谱技术在ＴＤＬＡＳ系统中实现方式是通过高频正弦　

信号对激光发射频率进行高频调制，调制后的激光　发射频率为：　

（ｆ）一ｖ（ｆ）＋ａｃｏｓ（２￣ｒｆｔ）　（４）　

式中　（￡）为未加正弦波调制的激光频率，ａ为正　

弦波电流调制引起的激光频率变化幅值，，为正弦波　调制频率。波长调制光谱技术使用锁相放大器检测　

激光束穿过被测气体后激光透过率信号的二次谐波　

分量，在弱吸收情况下，输出二次谐波信号为嘲：　

ｖ２，。Ｃ　Ｌ—Ｓ（Ｔ）—ＰＸＬ　ｆｇ（：一　＋口ｃ。ｓ　）ＣＯＳ２０ｄ０　丌　Ｊ　

（５）　通过公式（５）可知，当在特定的吸收谱线和一　定的温度、压力、光程及激光频率调制幅度下，可以　得到气体浓度与二次谐波之间的关系：　

Ｔ，　Ｘ—Ｋ＿Ｖ　２ｆ　（６）　』０　式中，　ｚ，为二次谐波分量信号，　。为光强直流　

分量，Ｋ为标定系数，通过分析这些参数，即可获取　气体浓度信息。　

２产品组成　

本文以泽天科技自主研发的ＬＧＴ一１００激光氧　分析仪为例进行说明，激光氧分析仪主要由发射单　

元、接收单元、吹扫单元和连接法兰组成。发射单　

元主要由激光器、激光器驱动电路、激光器温控电　

路及准直透镜组成，将控制在一定工作温度和电流　下的激光器输出特定波长的准直激光。接收单元　

由接收主板、光电检测器和会聚透镜等组成，主要　

作用是将接收到准直激光会聚到光电检测器感光　

面中，经过测量环境后衰减一定程度的光信号转换　为电信号进行处理得到二次谐波信号及浓度信息。　

吹扫单元由过滤器、减压阀和稳流装置等组成，可　

为激光氧分析仪的吹扫提供稳定的吹扫流量，避免　

弄脏光学窗片导致透过率降低。连接法兰安装在　烟囱管道两侧，仪器发射单元和接收单元通过安装　

在连接法兰上，实现原位测量方式。　

产品除了上述基本结构组成外，在单光路设计　

中增加了参比气室，在参比气室中密封　Ｏ　气体。　为减小光路中ｅｔａｌｏｎ噪声，参比气室窗片采用倾斜　

设计。通过存储¨Ｏ　与碍Ｏ：气体二次谐波信号之间　

的函数关系，从而实现　Ｏ　气体在线快速标定，无需　

将仪器发射单元、接收单元拆卸和额外连接标气　瓶。图１为同一激光器参数下的¨Ｏ　与　Ｏ　气体的　

二次谐波信号。　

ｊ　

迎垦　Ｏ　

０　

０　

Ｏ　ｌ００　ｌ５Ｏ　２００　２５０　３ｏ０　采样点数　

０２与　ｏ２二次谐波　２０１７年第１期　分析仪器　５７　

３　实验数据　

３．１实验装置　本文中激光氧分析仪基于ＴＤＬＡＳ技术原理测　

量，激光器使用美国Ｏｃｌａｒｏ单模ＶＣＳＥＬ的激光器。　三角波扫描频率采用１０Ｈｚ，扫描幅度为１７０ｍＶ，正　

弦波调制信号频率为４０ｋＨｚ，幅度为６４ｍＶ。通过　将激光器工作电流调节到３．４ｍＡ，工作温度控制在　

３１．２℃，实现激光器中心输出波长调节在７６０ｎｍ附　

近，输出激光功率约０．３ｍＷ。气体吸收池长度为　０．５ｍ，该特定波长的激光通过待测气体后，由光电　

检测器接收。光电检测器将光信号转换为电信号，　

再通过锁相电路进行信号处理。本实验装置的测　量示意图如图２所示。　

图２测量装置示慝图　

３．２在线标定流程　

选择合适的激光器参数同时扫描到¨Ｏ　和埔Ｏ。　

吸收谱线，当在预标定状态和一定的标定光程、温　

度和压力下，调用标定浓度和¨Ｏ　吸收信号与　Ｏ　吸收信号的比值Ｃ之间的函数关系，该函数关系Ｘ　

＝＝＝ｆ（Ｃ）已存储在仪器中。　需要在线标定时，通过标定浓度和函数关系Ｘ　

＝＝＝ｆ（Ｃ）确定¨Ｏ　吸收信号与　Ｏ。吸收信号之间关　

系，再根据当前计算的　Ｏ。吸收信号和比值Ｃ，则可　

计算出¨Ｏ　吸收信号，再根据该¨ｏ　吸收信号进行　

标定，计算标定系数。然后存储标定系数，完成在　线标定。在线标定流程如图３所示。　３．３　实验数据　本文激光氧分析仪在室温下在线标定完成后，　

通人不同浓度的¨Ｏ。气体验证线性度。试验中使用　５　的¨Ｏ。标气（以Ｎ。为底），通过高精度Ｖｏｇｔｌｉｎ质　

量流量控制器对５　的　Ｏ　标气和Ｎ　（纯度≥９９．　

９９　）进行配气，测试数据表明该仪器的线性误差　≤±１　Ｆ．Ｓ．，线性测试数据如表１所示，在线标定　

后测量线性曲线见图４。　预标定前　

ｌ　ｌ　ｌｌ　～　

确定　６Ｏ２与　０２　吸收信号比值ｃ　／　

确定标定浓度与　比值Ｃ关系　＿　

存储ｘ＝ｆ（Ｃ）　存储标定系数　

｜＿　｜Ｔ　

计算标定系数　

１…｜　

计算　１）２　吸收信号　一一　

计算　０２　

图３在线标定流程图　

表１线性数据　

誉　一　魁　燃　

剐　

测量浓厦（％）　

图４在线标定后测量线性曲线　

此外，将激光氧分析仪放置在高低温试验箱　

中，验证在（一２０～６０）℃不同环境温度下在线标定　的准确性，在线标定浓度设置为５　。在环境温度　

达到稳定平衡后进行在线标定。在线标定完成后，