常规的光谱吸收式气体检测系统采用调制激光器驱动电流的方式来实现对发射波长的调制，再使用锁相放大器提取由此产生的被测气体吸收光谱的某一谐波分量，并对其进行回归分析以获得气体浓度值。在信号检测的过程中，由于激光器强度调制现象的作用，使目标谐波分量与其邻频谐波分量相互混叠，增大了后续的数字信号处理过程的难度。为了消除光强度调制效应的影响，本文将光纤延迟线和平衡放大式光电探测器配合使用，构造出气体吸收光谱的一阶导数信号，并以此取代波长调制光谱技术中的谐波信号实现对气体浓度的标定。在温度为296K，压力为1.01×105Pa的实验室环境下，利用该方法测量了被氮气稀释的若干甲烷气体样本，取得的理论检测限为5.1×10^－6。

图1 实验系统示意图

图1给出了本次研究的实验系统示意图。不锈钢气室有效吸收路径为15.4cm，有三个对外接口，分别连接微型真空泵、电容式压力计和质量流量控制器(未在图中标出)。其中微型真空泵负责在每次实验之间对气室进行抽真空处理，防止残留样本影响后续实验结果；电容式压力计用于对气室中的总压力进行监视；根据气压计的显示值，调整质量流量控制器来增大或减小气流速度，使气室内压力稳定在预先设定的1.01×105Pa。在气室内部的中间与两端面的轴线方向上设置了3个K型热电偶以实时监测待测气体温度，并根据监测值采用PID控制算法对气室加热或制冷，使实际温度接近296K。实验所使用的DFB-LD光源在驱动电流为24mA，工作温度为305K的条件下固有输出波长为1.654μm。将该光源连同负温度系数热敏电阻和热电制冷器一同封装在14引脚的双列直插式管壳中，实现对激光光源工作温度的闭环控制。利用激光器温度控制器改变光源工作温度可以实现粗调发射波长的目的，在此基础上增大或减小激光器的注入电流即可实现对发射波长的精密调节，目的在于使光源发射光谱的峰值位置更贴近待测气体吸收谱线的中心，进而获得更明显的吸收效果。

频率为1kHz的阶梯形驱动电流波形使激光器发射波长在6046.5cm－1到6047.5cm－1的波数范围内往复变化，实现对甲烷气体红外吸收的2ν3泛频带Ｒ(3)谱线的覆盖。为避免光反馈现象损伤激光器的光敏面，将光隔离器部署在气室与光源之间，使二者之间的激光单向传播。激光在气室中以直射方式前进，经过甲烷吸收而产生强度损耗，在从气室中射出时被光分束器分离为主光路(图1上方)与参考光路(图1下方)。其中主光路上的光经过光纤延迟线后，被送入平衡式光电探测器的同相输入端，而参考光路的光经过可变增益光衰减器进行强度衰减后，被送入平衡式光电探测器的反相输入端。两路光信号在平衡式光电探测器内进行差分放大后，输出的模拟电压信号被16位分辨率的数据采集卡换算为数字量，送入利用LabVIEW软件编程的PC中作进一步处理，最终得到待测气体的浓度值。

本实验的基本思路是利用异步双光路结构和与之配合的平衡放大式光电探测器代替传统的波长调制光谱和谐波检测技术，构造WMS－1f的等价信号，实现气体的量化分析。穿过被测气体样本的激光束被分为主光路和参考光路。由于光纤延迟线的作用，主光路上光束到达平衡式光电探测器同相输入端的时间落后于参考光束到达该探测器反相输入端的时间，而激光器驱动电流的周期性改变将此时间差转化为固定的波长差。平衡放大式光电探测器由两个相互匹配的光敏二极管和一个超低噪声跨导运算放大器构成。两路通过同一气室、发生同等程度衰减、且瞬时波长不同的光强信号分别入射到平衡放大式光电探测器的两个光敏二极管上被转化为电流，接下来被跨导运算放大器差动放大，就产生了正比于吸收光谱一阶导数的输出电压，此电压等价于WMS－1f信号。由于未主动地调制光源的驱动电流，故而消除了干扰WMS－1f检测的邻频谐波信号。但是，光分束器设计的不平衡性(分离出的光束强度不相等)以及光在光纤延迟线上的传输损耗引入了一个新的直流偏置信号，通过调节参考光路上的可变光衰减器能够将该偏置信号最小化。

在检测气体之前，首先需要记录激光器的发射谱，方法如下：将气室排空，并将平衡放大式光电探测器的反相输入端暂时接地，则其输出信号即为激光器的发射谱。记录结束后，对气室充入待测混合气体，并将探测器反向输入端同可变光衰减器的输出端相连接。为了削弱光分束器设计结构的不平衡性(分束比非严格的1∶1)和光在光纤延迟线上的传输损耗对检测结果的影响，需要对可变光衰减器的增益进行精细调节。使用图1所示的检测系统对不同浓度的CH4-N2混合气体进行了浓度测量。在图2中，以浓度为5%时的甲烷样本为例，给出了数据采集卡采集到的实验原始数据，该显示界面采用LabVIEW软件编程实现。当状态指示灯变亮时，表示采集卡数据采集完毕。此时，LabVIEW软件前面板的数据输出控件显示的信号峰值强度为3.18463303，直流偏置约等于0。从曲线形状来看，平衡式光电探测器输出信号波形的整体轮廓与WMS－1f相似。但是，由于未对激光器进行电流调制，因此该信号波形未发生畸变现象，具体表现为曲线对称且无直流偏置。这说明该方法能够有效地消除常见于WMS－1f检测的剩余幅度调制现象(RAM)。

图2 CH4浓度为5%时，探测器输出的原始信号

接下来，以甲烷浓度为自变量，测量了平衡放大式光电探测器输出的信号峰值R peak。观察图3给出的结果可以发现，R peak与气体浓度(500×10－6、0.1%、0.2%、0.5%、1%、2%和5%)具有高度的线性相关性。采用回归分析法对这种线性关系进行验证，得到的拟合曲线与原始数据的相关系数Ｒ为0.9967:

即y=0.69691x+0.0054。其中，y表示检测信号峰值，x是气体浓度。

图3平衡式光电探测器的输出信号与CH4浓度的关系

所谓气体传感器的灵敏度，即当信号强度降低至与噪声功率相等时，该传感器所能检测出的气体浓度。但是，通过实际实验来准确地测得该灵敏度值难度极大，一个主要原因是痕量气体配气时存在着较大的误差；此外，在有限次测量过程中也难以做到令信号强度恰好与噪声相等。为克服此困难，采用测量较高浓度气体样本时得到的SNR作为基准，对传感器的理论检测灵敏度进行了推导。图4中给出的是对应于500×10^－6甲烷样本的探测器输出信号，其峰值为0.02863，而利用Lorentz光谱吸收线形对实验数据进行非线性拟合得到的标准差(1σ)为3.26×10^－4，二者相除得到的SNR约等于98。因此，推导得出当SNR=1时，此传感器所能检测出的气体浓度值为5.1×10^－6。

图 4平衡式光电探测器的输出信号与 CH4 浓度的关系

与波长调制光谱技术中的一次谐波检测相比，本文提出的方法虽然没有进一步提高检测灵敏度，但是因为不需要主动调制激光器注入电流，因而简化了系统结构。由于消除了RAM信号，因此可以设置更高的光电检测增益来充分放大弱吸收信号，以此补偿系统的SNR。此外，本方法使用的平衡放大式光电探测器与波长调制光谱法中的锁相放大器相比，成本更低，可操作性更好。需要特别注意的一点是，本次实验的气室光程较短，在一定程度上限制了检测灵敏度。若采用多次反射技术进一步加大光程，将获得更为理想的检测效果。

来自《平衡式探测器在吸收光谱导数检测中的应用》