基于红外波段光谱吸收的小型化湿度探测系统

　  湿度检测是气象传感器中主要的组成部分之一,在天气预报中具有重要的意义。现在广泛使用的湿敏电容式传感器或露点仪,存在响应时间缓慢、高湿度环境下退湿缓慢等问题。采用红外光谱吸收法进行大气湿度探测,具有灵敏度高、精度高、响应时间快等优点,自出现后便得到了迅速的发展。但是,现有的光谱吸收法测试成本高,设备复杂,体积庞大,应用受到限制。随着光电子技术的发展,红外波段半导体激光器技术日益成熟,已经可以实现产生指定波长输出的激光器,为低成本、小型化的光谱吸收法测量水汽浓度提供了技术支持。本文提出了一种基于红外波段半导体激光器的小型化、低成本的光谱吸收法湿度探测系统。

   1　检测原理

　  当光线通过某种气体后,它的光强由Beer-Lambert公式决定

式中:ν为光的频率;I0为通过气室之前的初始光强;α为气体吸收系数,与频率有关;C为气体的浓度;L为所通过的气体腔长。根据这个特性即可以进行气体浓度监测。

　  水汽的吸收谱如图1所示。比较显著的吸收峰存在于0. 93, 1. 80, 1. 85, 1. 87及1. 96μm处,为避开大气中其它气体的吸收峰,并考虑吸收峰本身的强度,系统选择了1. 85μm处的吸收峰。光源由垂直腔面发射激光器(VC-SEL)提供。

　  根据水汽浓度的不同,可以分为强吸收情况和弱吸收情况。强吸收情况时,将一束频率位于气体吸收峰中心位置的激光经分光后,分别通过长度为L的待测气室和参考气室(气体浓度为C0),有

　   两式相除,得到

　   这就是测量气体浓度的基本思路,也是在高湿环境下测量大气湿度的方案,简称为直接法。

　  弱吸收情况是指在低湿环境下,水汽浓度很低时,吸收造成的光强的变化将变得微弱,使得系统信噪比下降。这时就有必要引入谐波法,结合锁相技术从噪声中提取微弱信号。谐波法的基本原理是在激光器的驱动电流上加上小信号调制,可以对输出光的频率产生调制,同时产生一个附加的光强调制

式中:ω为所加调制的角频率;-ν为激光的中心频率;a为频率调制幅度;η为光强调制深度。假设吸收峰为洛伦兹线形

式中:ν0为吸收峰的中心位置;α0为ν0处的吸收强度;Δν为吸收峰的半高宽。那么,中心频率-ν=ν0的光线经过长度为L的气室后的光强可以近似为[1]

式中:m=a/Δν。对式(6)按照ω做傅里叶展开,则有

　  二次谐波的强度正比于气体浓度,可用于气体浓度检测。但在实际运用中,激光器光源的输出可能会由于温度漂移等原因造成波动,而激光通过气室时,也可能由于空气中的灰尘散射等原因造成衰减,造成等效光强I′0=βI0,这就为检测引入了不必要的共模噪声。二次谐波与一次谐波的比值