（测试计量技术及仪器专业论文）基于cdma网络的co浓度监测系统的研究.pdf

摘要 摘要 近年来，在工业生产中，c o 中毒和爆炸是严重危害人民生命和国家财 产安全的事故，给国民经济和人身安全造成了巨大损失。因此，实现c o 气体的实时在线监测对于国民人身安全及环境保护有特别重要的意义 在参考了大量国内外多种气体浓度监测方法的基础上，将现代先进的 c d m a 网络技术融入到c o 浓度监测系统中，利用光纤光谱吸收理论，设 计了一套快速、灵敏、准确的实时在线监测c o 浓度的系统。 基于光谱吸收原理，确定了c o 气体的吸收谱线，设计了光学部分的 器件；考虑到c o 测量的相关性和微弱性的特点，设计了以锁定放大器为 核心的微弱信号检测电路，利用光源调制产生的一次谐波与二次谐波实现 气体浓度的谐波检测；应用虚拟仪器图形化编程软件l a b v i e w 实现数据处 理及个性化c o 虚拟仪器系统；c o 浓度测量装置中装入网卡，并嵌入软件 程序，将c o 浓度测量装置与计算机做成b s 结构的网络形式，这样可实 现无线监测多点处c o 浓度变化情况；在远程监测平台部分的设计是采用 短消息形式进行数据传输，c d m a 网络通过天线接收p c 机发送过来的短 消息，然后通过c d m a 模块将结果直接输出到计算机上，实现与环境监测 网的互联。 与传统c o 浓度监测方法的研究相比，融入了现代先进的c d m a 网络 技术的c o 浓度监测系统，节省了光缆的铺设，大大提高了经济效益，而 且简单易行，快速准确，还能实时在线监测，是前景良好的气体浓度监测 系统。 关键词c d m a ；c o ；浓度；监测；光谱吸收 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t y e a r s ，d u r i n gt h ep r o d u c t i o n o fi n d u s t r y , c a r b o nm o n o x i d e p o i s o n i n ga n de x p l o s i o ni sa c c i d e n t ，w h i c hi sh a r mt ot h es a f e t yo fl i v e so f p e o p l ea n do u rn a t i o n a lp r o p e r t ys e r i o u s l y , m a k i n gl o t so fl o s st ol i f es a f e t ya n d n a t i o n a le c o n o m y s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt ot h es a f e t yo fl i v e so fp e o p l ea n d e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nw h i l er e a l i z i n gr e m o t er e a l t i m ea n do n l i n em e a s u r et o c a r b o nm o n o x i d e t h e e x p e r i e n c ei ss u m m a r i z e db a s e d o nt h er e f e r e n c eo f t h eg a sm o n i t o r i n g m e t h o d so fi n s i d ea n do u t s i d e ，c o m b i n i n gm o d e r na d v a n c e dc d m an e t w o r k w i t hc a r b o nm o n o x i d ec o n c e n t r a t i o n m o n i t o r i n gs y s t e m , u s i n gs p e c t r u m a b s o r p t i o nt h e o r y , aq u i c ks e n s i t i v ea n de x a c ts y s t e m i sd e s i g n e dt oo n l i n e m o n i t o r i n gc a r b o nm o n o x i d ec o n c e n t r a t i o n b a s e do n s p e c t r u ma h s o r p t i o nt h e o r y , c a r b o nm o n o x i d e n e a r - i n f r a r e d a b s o r p t i o nl i n ei sc h o o s e ，t h ec o m p o n e n to fo p t i cp a r ti sd e s i g n e d c o n s i d e r i n g t h ep e r t i n e n c ea n df e e b l e n e s sp e r f o r m a n c e ，w e a ks i g n a lm e a s u r e m e n tc i r c u i ti s d e s i g n e dw i t ht h ec o r eo fl o c k - i na m p l i f i e r , u s i n gt h el i g h ts o u r c em o d u l a t i o n h a r m o n i cm e a s u r et or e a l i z em e a s u r e m e n t t h ev i r t u a li n s t r u m e n tg r a p h i c s o f t w a r el a b v i e wi su s e dt op r o g r a m ，d a t ep r o c e e d i n ga n di n d i v i d u a t i o n c a r b o nm o n o x i d ev i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e mi sr e a l i z e d n e t w o r kc a r da n d s o f t w a r ep r o g r a ma r ea p p l i e di ng a sc o n c e n t r a t i o ns e n s o r , m a k i n gc a r b o n m o n o x i d eg a ss e n s o ra n dc o m p u t e ri n t ob r o w s e r s e r v e rc o n f i g u r a t i o n ，t h e n s o m ep l a c e sc a r b o nm o n o x i d ec o n c e n t r a t i o nc a nb em o n i t o r e d i nt h e l o n g - d i s t a n c em o n i t o r i n gp l a t f o r mp a r t ，s h o r tm e s s a g ei s u s e dt os e n dd a t e ， c d m an e t w o r ki n c e p tt h es h o r tm e s s a g et h a tc o m p u t e rs e n db ya n t e n n a , t h e n e x p o r t i n gr e s u l t t o c o m p u t e rb yc d m am o d u l e ，t or e a l i z e c o n n e c tw i t h e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gn e t w o r k c o m p a r e dw i t l lt r a d i t i o n a lc a r b o nm o n o x i d e c o n c e n t r a t i o nm o n i t o r i n gm e t 一 a b s t t a c t h o d s ，t h ec a r b o nm o n o x i d em o n i t o r i n gs y s t e mc o m b i n e dw i t hc d m an e t w o r k , i ss i m p l eq u i c ka n de x a c t ，i tr e a l i z e sr e a l t i m eo n l i n em o n i t o r , s oi ti sa g o o d d e v e l o p m e n t a lg a sm o n i t o r i n gs y s t e m k e y w o r d sc d m a ；c a r b o nm o n o x i d e ；c o n c e n t r a t i o n ；m o n i t o r ；s p e c t r u m a b s o r p t i o n 1 1 1 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于c d m a 网 络的c o 浓度监测系统的研究，是本人在导师指导下，在燕山大 学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所 知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字韩照明日期：驴6 年胴2 7 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 基于c d m a 网络的c o 浓度监测系统的研究系本人在 燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。 本论文的研究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大 学为第一完成单位及相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、 使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复 印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的 全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密区 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：韩廊稠 名：奚p 德玉 日期：f 年加月0 日 日期：谚f 年f 明1 7 日 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 c o 是一种对人体健康十分有害的空气污染物。空气中的c o 来源于工 业如炼钢、炼焦、炼铁、炼油用煤的不完全燃烧烟道的排放，汽车、摩托 车等机动车辆的尾气排放以及有机物和家用煤气不完全燃烧。c o 无色无 味，并且有剧毒。当人吸入以后，将与人体血液中的血红蛋白结合形成稳 定的配合物，使血红蛋白失去输送氧气的功能。 当空气中c 0 气体的含量为l o o x l o 6 ( 1 2 5m g m 3 ) 时，无自觉症状， 4 0 0 x 1 0 6 ( 5 0 0m g m 3 ) 时会出现头痛、疲倦、恶心、头晕等感觉，6 0 0 x l o - 6 ( 7 5 0 m g m 3 ) 时发 g f 心悸亢进，并伴随有虚脱危险，1 0 0 0 x 1 0 6 ( 1 2 5 0m g m 3 ) 出现昏 睡，痉挛而造成死亡i l 】。因此，如何准确而快速地测定出某一区域的空气中 c o 浓度并进行远程实时在线监控已成为当务之急。 1 2 c o 气体浓度检测的研究状况 ( 1 ) 荧光法荧光通常是指某些物质受到紫外光照射时，各自吸收了一 定波长的光之后，发射出比照射光波长长的光，而当紫外光停止照射后， 这种光也随之很快消失。当然，荧光现象不限于紫外光区，还有x 荧光、 红外荧光等。利用测荧光波长和荧光强度建立起来的定性、定量方法称为 荧光分析法。 荧光通常发生于具有开叫【电子共轭体系的分子中，如果将激发荧光的 光源用单色器分光后照射这种物质，测定每一种波长的激发光所发射的荧 光波长及其强度，以荧光强度对激发光波长或荧光波长作图，便得到荧光 激发光谱或荧光发射光谱f 简称荧光光谱) 【2 1 。物质的分子结构不同其激发光 谱和发射光谱不同，这是进行定性分析的依据。最直接的荧光定性分析方 法是将待分析物质的荧光发射光谱与预期化合物的荧光发射光谱相比较， 燕山大学1 ：学硕十学位论文 方法简便并能取得较好的效果。在一定的条件下，物质发射的荧光强度与 其浓度之间有一定的关系，这是进行定量分析的依据。 含被测物质的溶液被入射光( 厶) 激发后，可以在溶液的各个方向观测到 荧光强度( 乃。但由于激发光源能量的一部分透过溶液，故在透射方向观测 荧光是不适宜的。一般在与激发光源发射光垂直的方向观测。根据比耳定 律，透过光的比例为 i z o = 1 0 一“( 1 - 1 ) 式中 厶一入射光( 激发光) 强度； j 一透过光强度： c 一被测物质的浓度； e 一被测物质摩尔吸光系数； 6 透过液层厚度。 被吸收和散射等光的比例为 l 一，o = 1 1 0 一“( 1 - 2 ) 即 厶一= 厶( 1 一l o 磕) ( 1 - 3 ) 总发射荧光强度( d 与试样吸收的激发光的光量子数和荧光量子效率 ( 为荧光物质吸收激发光后所发射的荧光量子数与吸收的激发光量子数 之比值成正比 ，= 啡瓴一，) = j 。哪【l 一1 0 “) ( 1 - 4 ) 将上式括号内的指数项展开可得 f ：护，2 3 e b c 一丁( - 2 3 e b c ) 24 ，丁( - 2 3 s b c ) 3 1 ( 1 - 5 ) 对于很稀的溶液，被吸收的激发光不到2 ，e b c 很小，上式中括号内 第二项后各项可忽略不计，则简化为 f = 2 3 吼西“( 1 - 6 ) 对于一定的荧光物质，当测定条件确定后，上式中的卿、，。、6 均 为常数，故又可简化为：f = k c 即荧光强度与荧光物质浓度呈线性关系。荧 光强度和浓度的线性关系仅限于很稀的溶液【3 】。 第l 章绪论 ( 2 ) 光谱吸收法每一种气体都有固有的吸收光谱。当光源的发射谱与 气体的吸收谱相吻合时，就会发生共振吸收，其吸收强度与该气体的体积 分数有关，通过测量光谱的吸收强度就可测量气体的体积分数。当一束光 强为，。的输入平行光通过待测气体时，如果光源光谱覆盖一个或多个气体 的吸收谱，则光通过气体时发生衰减。根据b e e r - l a m b e r t 定律，出射光强， 与入射光强，。和气体的体积分数之间的关系为 ，= i o e x p - a c l j( 1 - 7 ) 式中口一为气体吸收系数； 为吸收路径的长度； c 为气体的体积分数。 对( 1 7 ) 式进行变换 c = l n ( i o ，) 以( 1 8 ) 从式( 1 8 ) 可知，如果l 、口已知，那么通过检测j 、i o 就可以得n c o 气体的 体积分数c 棚。 ( 3 ) 气敏法气敏传感器是指将被测气体浓度转换为与其成一定关系的 电量输出的装置或器件。被测气体的种类繁多，它们的性质也各不相同。 所以不可能用一种方法来检测各种气体，其分析方法也随气体的种类、浓 度、成分和用途而异。气敏元件性能与敏感功能材料的种类、结构及制作 工艺密切相关。 ( 4 ) 被动检气管法在检气管内的惰性载体上涂渍对c o 有特效的显色 剂，c o 通过检气管端口扩散进入管内，在经过惰性载体时，与惰性载体上 的显色剂发生反应，从而产生颜色变化。检气管显色长度的平方与c o 浓 度及采样时间的乘积在一定范围内( 采样1h ) 成线性关系，从而求出环境中 c o 的时间加权平均浓度。 ( 5 ) 光干涉法光干涉法是利用光的折射率与该气体的含量有关来测量 气体浓度的，当c o 室与空气室同时充入空气时，两束光所经过的光程相 同，则干涉条纹不产生移动，如改变在c o 室中的气体成分、温度或压力， 则因折射率改变，光程也随之改变，干涉条纹便会发生移动，当两室温度 和压力相等时，干涉条纹的移动量与甲烷浓度成j 下比，测量这个移动量， 燕山大学t 学硕士学位论文 便可测定空气中的c o 含量【5 1 。 ( 6 ) 热催化法热催化式c o 报警仪的工作原理是：利用c o 在催化元 件( 俗称黑白元件) 上的氧化生热( 也称无烟燃烧) 使催化元件的阻值发生变 化，由催化元件和电阻组成的惠更斯电桥失去平衡，输出与c o 浓度成正 比的电信号，通过测量电信号的大小，达到检测c o 浓度的目的。 ( 7 ) 非分散红外法当c o 、c 0 2 等气态分子受到红外辐射照射时，将吸 收各自特征波长的红外光，引起分子振动能级和转动能级的跃迁，产生振 动转动吸收光谱，即红外吸收光谱。在一定气态物质浓度范围内，吸收光 谱的峰值( 吸光度) 与气态物质浓度之间的关系符合朗伯一比尔定律，因此， 测其吸光度即可确定气态物质的浓度。c o 的红外吸收峰在4 5l a n 附近， c 0 2 在4 3p r n 附近，水蒸气在3 岬和6 肛m 附近。因为空气中c 0 2 和水蒸 气的浓度远大于c o 的浓度，故干扰c o 的测定。在测定前用致冷或通过干 燥剂的方法可除去水蒸气；用窄带光学滤光片或气体滤波室将红外辐射限 制在c o 吸收的窄带光范围内，可消除c 0 2 的干扰。 ( 8 ) 气相色谱法色谱分析法又称层析分析法，是一种分离测定多组分 混合物的极其有效的分析方法。它基于不同物质在相对运动的两相中具有 不同的分配系数，当这些物质随流动相移动时，就在两相之问进行反复多 次分配，使原来分配系数只有微小差异的各组分得到很好地分离，依次送 入检测器测定，达到分离、分析各组分的目的【6 l 。 下面表1 1 是运用各种方法制成的气体传感器性能的比较。 1 3 课题的科学意义和应用前景 煤气是工业生产及生活的重要能源，随着生产的发展，煤气的生产、 运输和使用范围越来越广，用量越来越大，煤气的主要含量为c o ，因c o 的比重为0 9 7 与空气基本相当，故不易扩散而在一定区域聚集，如达到一 定浓度易引起爆炸，且c o 为无色、无味，不易被人发觉的有毒气体，所 以c o 所引起的伤亡事故很多，因此，对于c o 的生产、净化，运输、储存、 分配及使用的各个环节都要特别注意安全，严防c o 事故的发生。 4 第1 章绪论 表1 1 不同原理气体传感器性能比较 t a b l ei - i c o m p a r i s o no f c h a r a c t m so f d i f f e r e n tp r i n c i p l es e n s o r s 对气体的稳定 分析方法灵敏度可靠性响应速度简易度测定范围 选择性性 非常简 半导体法非常好稍差差良好稍差达l e l 蓖 非常简 接触燃烧法 相当好相当好稍好非常迅速良好达l e l 酋 中等复 p p m 的 氢焰离解法相当好 良好 稍好 快 稍好 杂 1 0 0 导热法良好良好良好较快良好简单宽范围 中等复相当宽范 红外吸收法稍好良好相当好快良好 杂围 p p m 的 化学发光法良好良好良好快良好简单 1 0 0 中等复 光十涉法良好 良好 良好 快良好宽范围 杂 试纸光电光中等复特别微量 良好良好良好差良好 度法 杂的榆测 恒电位屯解快 良好良好良好良好简单宽范围 法 ( 2 0 - 3 0s ) 非常 非常复 p p m 的 气相色谱法非常好非常好非常好差 好杂 1 0 0 光纤气体传非常中等复相当宽范 非常好非常好非常好快 感器 好杂国 l e i 抵爆炸极限 非常好 相 与好 良好 稍好 稍差 差 c o 事故主要分为燃烧爆炸和中毒事故。c o 燃烧爆炸事故主要发生在其 5 燕山大学工学硕士学位论文 浓度达到1 2 5 - - 7 4 燃烧爆炸含量时，而c o 中毒症状的出现，只需煤气浓 度达到o 0 1 ( i o o p p m ) 即可发型7 1 。由此可见，引起c o 中毒的煤气浓度比 引起c o 燃烧爆炸的浓度低1 0 0 0 倍，因此严防c o 事故的发生应首先和重点防 止c o 中毒事故的发生。 本课题是基于c d m a 网络的煤气发生站事故预防系统，实现实时无线 预防报警，不仅避免了事故的发生，而且节省电缆降低了成本。因此应用 i j 景十分广泛。 1 4 课题研究的主要内容 利用光纤光谱吸收法对c o 气体浓度进行检测，将先进的c d m a 网络技 术运用到c 0 浓度的远程监控中，主要研究内容如下： ( 1 ) 掌握各种气体浓度检测方法的工作原理、优缺点及应用范围，从而 得出了本课题所要采取的方法。 ( 2 ) 分析分子光谱吸收理论，分子光谱的形成，基频、泛频及组合频率 光谱，分析c o 气体分子的典型吸收线，并对c o 气体特征吸收谱线进行确 定。 ( 3 ) 在微弱信号的检测处理上选择了谐波检测法。 ( 4 ) 光学部分设计，包括光源的选择，气室的设计，光纤选择，光纤祸 合及光电探测器的选择等问题。 ( 5 ) 电路部分设计，包括正弦波发生器和倍频电路设计，低通滤波器和 锁定放大电路的设计，前置放大电路的设计。 ( 6 ) 基于l a b v i e w 的数据采集并进行处理。 ( 7 ) 远程监控平台的设计，其中包括c o 浓度测量仪器与计算机的通信 设计和计算机与c d m a 模块通信的设计。 6 第2 章光谱吸收式气体传感器测量原理 第2 章光谱吸收式气体传感器测量原理 2 1 分子光谱吸收理论 2 1 1 分子光谱的形成 根据量子学说的观点，物质在入射光的照射下，分子吸收光时其能量 的增加是跳跃式的( 即物质所含的能量并不是连续变化的) ，所以物质只能吸 收一定能量的光。依照量子学说，吸收光的频率( u ) 和两个能级间的能量差 ( ) 要符合下列关系 a e = 易一巨= h o( 2 - 1 ) 式中 一普朗克常数，h = 6 6 2 4 x1 0 。7 尔格秒： u 一光的频率： e 、e ：一分别是初能态和终能态的能量。 由式( 2 一1 ) 可知，物质所吸收的光的频率是与初能态和终能态的能量之 差成正比。但并非任意两个能级之间都能进行跃迁，这种跃迁需要遵循一 定的规律，这一点使观察到的光谱大为简化嘲。 图2 1 分子能级跃迁结构 f i g 2 1 s t r u c t u r eo f m o l e c u l ee n e r g yl e v e lt r a n s i t i o n 由于分子价电子的运动形式较为多样化，所以分子光谱呈现比原子光 7 燕山大学工学硕士学位论文 谱的线状光谱更为复杂的带状光谱。实际上，带状光谱也并不是连续的。 用更高分辨率的光谱仪观察它，便可清楚地看到带中排列紧密的离散谱线。 这种现象来源于分子中价电子与多个原子核的复杂相互作用而产生的多种 运动形式【9 】。作为一级近似，分子的运动可分为转动、振动和分子内电子的 运动，因此分子的能量就可写成 e = e + e + e ( 2 2 ) 由式( 2 2 ) 可知，分子的光谱应该有三个层次。第一层次是反映分子转 动能量的变化，这部分光谱结构叫做转动光谱：第二个层次是反映分子的 振动能量的变化，这部分光谱结构叫做振动光谱；第三个层次是反映分子 电子能量的变化，这部分光谱结构叫做电子光谱 1o 】。分子转动能量很小， 所以转动光谱在远红外波段。电子运动的能量很高，因而电子光谱是在可 见光或紫外光波段。分子的振动能量在转动和电子运动能量之间，它的光 谱在近红外波段。 2 i 2 基频、泛频及组合频率光谱 当忽略分子转动与振动之间的相互影响时，在一定的近似条件下，可 得出如下结论： ( 1 ) 只有当分子具有永久偶极矩时，力能出现红外转动光谱。因为只有 在这种条件下才能发生能态跃迁。由于纯转动光谱全部位于很远的红外区 域，因此，到目前为止，还没有观察到线性分子的红外转动光谱。 ( 2 ) 任何与偶极矩的改变有关的运动，都会导致分子对光辐射的吸收或 发射过程。在分子振动期间，电荷分布发生周期性改变。因而，一般来说， 偶极矩也周期性地改变着。在谐振子近似下，由于分子的任何振动都可以 分解为具有某一定振幅的若干简正振动之和，并且这些简正振动又是唯一 的简单的周期性运动，所以，各个简正频率是分子所吸收或发射的光谱频 率。这些频率位于近红外区。通常在红外区观察到的光谱是吸收光谱。在 谐振子近似下，只有各个基频是激活的，即只出现与基频振动有关的红外 光谱。 8 第2 章光谱吸收式气体传感器测量原理 ( 3 ) 在不对称分子中，所有的简正振动都是红外激活振动；而在对称分 子中，存在红外不激活振动，也就是说有些对称分子的基频红外光谱不出 现。 ( 4 ) 上述结论是在分子谐振近似条件下得出的。如果还考虑到分子振动 的非谐性，则振动也含有频率2 0 s ，3 q ，；此外还含有频率q + o k ，q 一， 2 0 l + ，。 上述两组频率分别称为泛频和组合频率，在红外光谱中，除了基频之 外，也会出现泛频和组合频率。不过，由于非谐性一般是很小的，泛频光 谱与组合频率光谱跟基频光谱相比要弱。 ( 5 ) 分子的转动与振动能够同时发生。这种转动与振动的相互作用是分 子红外光谱谱带的精细结构的物质基础。谱带的精细结构具体表现为不同 的支，即p 支、r 支和q 支。对于具体分子而言，可以出现三个支带中的一 支、二支或三支。这些结论不包括分子的电子光谱和喇曼光谱。尽管这两 种光谱对于几乎任何一种分子都是客观存在的。其中分子的电子态跃迁还 会伴随着转动和振动态的变化，其频率一般位于红外或可见区。分子必须 满足下列条件才能吸收红外辐射：分子振动或转动时伴有瞬时偶极矩的变 化；分子振动频率与红外辐射频率相刚j 。 2 2c o 气体光谱特征吸收线的选择 2 2 1 气体分子的典型吸收线 气体吸收峰的主要参数有吸收线半宽、吸收系数峰值和反映吸收线形 状的谱线方程i l ”。图2 2 为气体分子的典型吸收线。气体分子的吸收线宽主 要取决于三个因素：一是自然展宽；二是气体分子的运动引起的多普勒效 应造成分子吸收光谱的加宽；三是分子的碰撞展宽。气体分子的自然线宽 取决于激发态分子的跃迁时问和自然寿命。这个宽度非常小，可以忽略其 影响。气体中的原子和分子处于不断的相互碰撞的状态中，实验证明处于 这种状态下的发射和吸收光谱有增宽效应。当压力越大时，谱线增宽越明 显这种碰撞加宽可用l o r e n t z 曲线描述，故称为l o r e n t z 展宽i l3 1 。 9 燕山大学1 = 学硕十学位论文 圈2 - 2 气体分子典型吸收线 f i g 2 - 2t y p i c a la b s o r p t i o ns p e c t r u ml i n eo f g a sm o l e c u l e 实际上，由于气体的分子量较大，相对原子光谱而言，在红外光谱区 的振转谱线受多普勒加宽的影响不大【1 4 1 。本系统中气体压力接近一个大气 压，红外光谱的碰撞加宽起着主要作用。所以以l o r e n t z 曲线描述c o 分子的 吸收谱线型 出卜南 l + l j l ( 2 3 ) 式中口以) 一表示对应波长a 处的吸收系数； 五。一为对应吸收峰； ，一为带阻尼的电偶极振子的衰减速率。 气体吸收线宽不仅与压力有关，还随温度而变化。温度对线宽的影响 主要通过多普勒加宽表现出来，在碰撞展宽占主导地位时，由温度变化引 起的线宽变化可以忽略。即当压力保持一定时，由温度变化引起的线宽变 化可以忽略。因此在这种情况下，c o 的谱线形状、宽度等可认为保持不变。 2 2 2c o 气体特征吸收谱线的确定 对于气体吸收谱线波长的选择主要考虑了以下几点： 第2 章光谱吸收式气体传感器测量原理 ( 1 ) 气体的标准吸收光谱位于2 5i m a - 2 5t i m 的中红外区，因此需要红外 光源【1 5 】。虽然铅盐激光器可以产生这一波段上的光，但光源和探测器都需 要低温制冷，价格昂贵，用起来也不方便。另外，这一波段上石英光纤损 耗太大，而红外光纤技术又不成熟，这些都严重的制约了它们在气体传感 中的应用。在长距离高传输速率的光纤通信中应用的d f bl d 具有单频、窄 线( 小于1 0m h z ) 的特性，是适合于光谱吸收型光纤气体传感器的光源。基 于上述原因，目前光纤气体传感器的研究主要集中在近红外波段，考察气 体在近红外区的泛频带或组合带的吸收情况，虽然这些吸收峰比红外波段 的基本吸收峰要弱得多，但目前长距离大容量通信用石英光纤仅在1 1 凹n 1 7 肛m 的近红外区有低损耗、低色散特性，因而系统的工作波长应在 近红外区石英光纤低损耗、低色散波斟1 6 1 。 ( 2 ) 考虑c o 在此处有强吸收。 ( 3 ) 必须考虑其它气体如水蒸气、c 0 2 等在此处无明显吸收。 c o 在4 6 6 肛m 、2 2p m 和1 5 6 7 肛m 等附近有吸收峰，可用直接吸收方法 测量。由于受到光纤损耗的限制，选择光纤低损耗窗e 1 1 1 岬1 7 岬之间 的吸收谱线进行吸收测量1 1 7 1 。在1 5 6 7l a i n 附近，石英光纤损耗小，可以用 作传感波长。c o 气体在1 5 6 0n m 1 5 9 5n m 大约有4 0 条吸收谱线【1 羽，其详细 吸收谱线如图2 - 3 所示。所以由此可见，c o 气体在1 5 6 7 岫1 有较强的吸收， 所以在本系统的设计中选择了1 5 6 7i n n 波段的近红外光对c o 气体进行传 感。 o o n 1 1 0 2 弘， 暑o 4 0 5 哪m 。矿 1 5 6 0 1 5 7 0 1 5 8 01 5 9 0 w a v a l e n g t h n m 图2 3c o 气体在1 5 6 0 n m - 1 5 9 5n m 的吸收谱线 f i g 2 - 3s p e c t r u mo f c oi nt h e1 5 6 0 n m l1 5 9 5n mr e g i o n l l 燕山人学1 ：学硕十学何论文 2 3 本章小结 通过对光纤气体光谱吸收法测量原理及气体分子光谱吸收谱线理论的 研究，论述了气体分子在近红外区选择吸收特性，给出了气体吸收测量的 理论依据，同时，为满足普通石英光纤进行较长距离低损耗传输，确定了 c o 气体在1 5 6 7 岬处的吸收谱线为本测量系统的特征吸收谱线。 第3 章光纤光谱吸收式c o 浓度传感系统设计 第3 章光纤光谱吸收式c o 浓度传感系统设计 3 1光谱吸收法测量气体浓度基本原理 当光源光谱覆盖1 个或多个气体吸收线，光通过气体时发生衰减。根 据b e e r - l a m b e r t 定律，输出光强，以) 与输入光强，。n ) 和气体浓度之间的关 系为 ，o ) = l o 以k p 【- 口以皿c 】( 3 1 ) 式中 口以) 一一定波长下单位浓度单位长度的介质吸收系数； 卜吸收路径的长度； c 气体浓度。 如果l 与口以) 已知，那么通过检测，0 ) 和厶以) 就可以测得c o 气体的 浓度，这就是光谱吸收法测量气体浓度的基本原型1 9 1 。本文就是采用光谱 吸收法测量c o 浓度。 3 2 系统信号检测方案的确定 3 2 1 差分吸收检测法 光波通过气体时，考虑到光路的干扰因素，l a m b e r t b e e r 定律可表示为 l ( 2 ) = l o ( 2 ) e x p - o t ( a ) c l + 以) 】 ( 3 2 ) 式中，以) 一透射光强； 厶以) 入射光强； 口) 一一定波长下的单位浓度单位长度气体的吸收系数； 瑚测气体与光相互作用的长度； c 待测气体的浓度： 以) 一光路干扰系数。 当光纤传感系统检测气体时，( 3 2 ) 式还应包含一个比例系数足，则可 改写为 燕山大学工学硕士学位论文 ，以) = i o ( 2 ) k ( 2 ) e x p - a ( 2 ) c l + 以) 】 ( 3 3 ) 仅从( 3 3 ) 式来确定待测气体的浓度c 是困难的，因为以) 是一个随机变量。 如果用两个波长 、如相隔极近( 但在吸收系数上有很大差别) 的单色光同 时或相差很短时间内通过待测气体，有 l ( , a ) = i o 包) k “) e x p 【_ 口“) c “) 】 ( 3 4 ) ，( 如) = 厶) k 伉) e x p 【- 口阮) 瓯+ 阮) 】 ( 3 5 ) 由式( 3 - 4 ) 和式( 3 - 5 ) ，待测气体的浓度可以表示为 c - 志 n 删山船一砒) 】) ， 由于 、旯：相差很小，光几乎同时接近和通过待测气体，可以认为 ( ) = )( 3 - 7 ) 式( 3 6 ) 可以简化为 p 南n 渊 p s ， 铲砥万砸“1 可面厕 p 。0 适当调节光学系统使 k “) ，0 “) = k 阮k 仉) ( 3 9 ) k ( 3 8 1 又可简化为 c = k j - 1 孤1 n 碉1 ( 2 2 ) ( 3 _ 1 。) 实际应用中，波长 的光对应检测气体的吸收谱线，波长如的光不被 检测气体吸收( 即参考波长) ，在测试过程中为一空值，有，亿) ，“) 1 。对 l n p ( 如) ，( ) 】进行泰勒展开 t n 矧叫n + 粥一 ) 帮p 气体浓度为 p 网1帮 ( 3 - 1 2 ) 扩风万硒矿 p 1 纠 在波长 、以下，若气体的吸收系数、1 2 ：可以测量，则气体浓度就 可以通过，伉) 一，“) 和，仉) 的测量中求出，称为差分吸收技术。从式( 3 - 1 2 ) 第3 章光纤光谱吸收式c o 浓度传感系统设计 可以看出差分技术不仅从理论上完全消除了光路的干扰因素，同时还消除 了光源输出光功率不稳定的影响。 在实际应用中，如果光源经过斩光或用方波驱动等调制，其目的是为 了消除杂散光和降低信号噪声的干扰，可以采用锁相放大器对信号进行处 理【2 0 1 。 光源发出的光经过方波调制和滤波后，其强度7 似) 为 7 0 ( x ) - - 0 ( 旯2 + ( 2 兀) c o s ( f ) 一【2 o 兀) 】c o s ( 3 t ) + a a ( 3 - 1 3 ) 式中 瓦以) 一光强的幅度； 国一调制频率。 光探测器接受的光) 由两部分组成，其一为脉冲单色光经气室后的 信号光7 d ) ；其二是直接进入探测器的杂散光等背景光于。故有 q ) = ，+ 7 0 ) ( 3 1 4 ) 7 ( a ) 由式( 3 1 3 ) 表示，代入式( 3 1 4 ) 得 ，以) = ，+ 元以) 足以) e x p 卜口以) c e + 以) 】0 一1 5 ) 设光探测器光电流灵敏度为s ，则光探测器输出光电流为 f 0 ) = s ，q ) = s ，+ s 五o 谁2 + ( 2 兀) c o s 耐一【纠( 3 兀) 】c o s ( 3 肼) + 几d k q k x p 【_ a q ) c + 以) 】 ( 3 - 1 6 ) 杂散光等背景光为稳恒光或缓慢变化的光，由锁相放大器检测一次谐 波，可滤除杂散光以及脉冲光中的直流分量，得到信号光电流 私) = ( 2 兀b 厶以k 以硒 _ 口o ) c + 卢q 难o s 研 ( 3 1 7 ) 经u 转变、放大、滤波后，输出电压玩为 玩以) = ( 2 尢b r ，足，厶以皿0 k p - - a ( , t ) c ；+ 以) 】 ( 3 1 8 ) 式中r 厂1 v 转换电路反馈电阻5 k 旷一电压放大倍数。 k 以) = ( 2 兀b ，月，k ，k 0 ) 0 1 9 ) 把式( 3 1 9 ) 代入式( 3 - 1 8 ) 得 玩0 ) = 五以弦o ) e x p 卜口以妞十以) 】 ( 3 2 0 ) 式( 3 2 0 ) 与式( 3 3 ) 具有相同的形式，差分光的数学模型推导也相同。采用调 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 制式光源构成的差分检测系统具有差分吸收技术的全部性能，又可有效抑 制杂散光干扰和信号噪声。 常用的差分吸收检测根据其光源带宽不同，分为宽带和窄带光源差分 吸收检测方法【2 1 i 。窄带光源方法是采用比气体吸收线宽大得多的l e d 作为 激发光源，使用不同中心波长的闪耀光栅( 或干涉) 滤波片提取需要的两种波 长五和丑， 为待测气体的吸收谱线中心波长，如为略偏离吸收谱线的某 一波长，对应气体的吸收谷。窄带光源方法是利用分布反馈式半导体激光 器( d f bl d ) 的输出频率可调谐性，直接控制光源的驱动电流，产生两个中 心波长的光信号， 对应气体分子的吸收峰，五对应吸收谷，以此来实现 气体的差分检测【2 2 】。虽然差分检测吸收可以消除光路的干扰，但系统的固 有噪声无法得到消除。谐波检测可以有效地消除和抑制系统噪声和各种干 扰，广泛应用于微弱信号的检测。下面我们将重点介绍谐波检测技术。 3 2 2 谐波检测法 谐波检、狈, t l ( h a r m o n i cd e t e c t i o n ) 是- f 实验技术1 2 3 1 。最初它作为一种检 测微弱信号的方法而被提出。在电子光谱、核磁共振以及声光光谱的研究 中，它被广泛地应用于微弱信号检测。其基本原理是通过高频调制某个依 赖于频率的信号，使其“扫描”待测的特征信号，然后在信号处理系统中， 以调制频率或调制频率的倍数作为参考信号，用锁定放大器( l o c k - i n a m p l i f i e r ) 记录下要得到的信息，这一特征信息具有调制信号的一系列谐波 信息。 这种方法的理论基础是傅立叶变换理论，如同傅立叶变换要求被变换 函数满足一定的条件一样，谐波检测要求待测对象的特征满足一定的数学 模型条件，否则将带来检测误差。尽管如此，谐波检测技术仍然能够成功 地应用于上述各个方面的微弱信号检测。m i t 的学者在六十年代应用洛伦 兹模型( l o r e n t z ) 分析了核磁共振信号一次和二次谐波的傅立叶变换系数之 后，其他学者也从理论上对类似问题进行了研究和推导 2 4 1 。 在研究气体的吸收系数这一参数时，利用谐波检测方法能得到与理论 1 6 第3 章光纤光谱吸收式c o 浓度传感系统设计 计算相当吻合的结果瞄i 。由此可知，现有的数学模型( l o r e n t z ，g a u s s 及v o i g t 模型) 可以用来分析气体的红外吸收现象。反过来，当己知某一气体的吸收 系数时，就可以应用这一技术分析该气体的浓度，这正是我们确定系统方 案的理论依据嘶1 。 窄带光源谐波检测，当一束光强为厶的输入平行光通过气室时，如果 光源光谱覆盖一个或多个气体吸收线，光通过气体时发生衰减，根据 b e e r - l a m b e r t 定律，输出光强，( f ) 与输入光强，。( f ) 和气体浓度之间的关系为 ，o ) = l o ( t ) e x p - a ( v 肌】 ( 3 - 2 1 ) 式中 口( u ) 一气体吸收系数，即气体在一定频率l ，处的吸收线型； 工一吸收路径的长度； c l 气体浓度。 为了产生谐波信号，我们在激光器的直流工作电流上叠加一个角频率 为l ，的正弦信号。由于可调谐激光器的输出频率是注入电流的函数，所以， 注入电流经正弦调制之后，激光器的输出频率和输出光强也将受到相应的 调制变成了随频率u 而变化的时变参数 u = + l 0 s i n c o ，( 3 2 2 ) 1 0 ( 0 = l o 1 + r s i n c o t 】( 3 - 2 3 ) 式中 一光源未经调制时的中心频率； 一频率调制幅度； 玎一光强调制系数； 厂一电流调制频率。 且有国= 2 矿，将式( 3 2 2 ) 、( 3 - 2 3 ) 代入式( 3 2 1 ) ，则 ，( f ) = i o ( 1 + r s i n c o t ) e x p 【- 口o o + o m s i n c o t ) c z 】 在近红外波段，气体的吸收系数很小，满足a ( o ) c l 1 ， 幅度也很小，即r l ，这样就可以运用近似公式 e x p - a ( o ) c l = 1 - 口0 妞 并且可以忽略高阶小项 r s i n c a txa 慨+ o s i n c o t ) c l 这时，( f ) 可近似为 1 7 ( 3 2 4 ) 光强的调制 ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) 燕山大学工学硕士学位论文 ，( f ) = i o 1 + r s i n c o t 一口h + o m s i n c o t ) c l j( 3 - 2 7 ) 根据比尔朗伯定律，如果激光器的中心波长和气体吸收峰中心波长对 准，则通过测量光经过气体时的损耗就可以检测气体的浓度【z ”。然而，除 了上述分析的噪声因素外，由于一般气体的吸收峰很窄，光源波长随环境( 温 度) 的漂移将引起光源中心波长偏离气体吸收峰中心波长，引起吸收系数随 温度变化，因而也导致测量的不稳定。实用中需要将光源波长精确地锁定 在气体吸收峰中心波长上，波长的稳定可用光源频率调制和附加参考气室 的方法来实现。其基本原理为，由于气体分子的吸收线型为洛仑兹( l o r e n t z ) 线型或高斯( g a u s s ) 线型等，皆为轴对称结构，示意图在第二章中给出过。 经过正弦调制波长的光( 即五= 五+ & i n c a t ，其中厶为光源的静态波长，艿为 调制深度) 通过一个内部装有浓度固定、与被测气体种类相同的参考气室。 当九与气体的吸收线型中心波长