（光学工程专业论文）光纤甲烷传感技术研究.pdf

中文摘要摘要：甲烷是工矿瓦斯气体的主要成分，实现甲烷气体浓度的可靠、高效、实时监测，对矿井安全生产以及环境保护有极其重要的意义。光纤气体传感器集灵敏度高、频带宽、抗干扰和恶劣环境能力强、易小型化等优点于一身，具有其它气体传感器无可比拟的优越性，倍受国内外学者关注。本文基于气体光谱吸收技术，进行光纤甲烷浓度检测的实验研究，完成了光源、检测电路、气室和探头的研制工作。在国内首次使用1 6 6 5 n m 的窄带d f b 激光器作为探测光源，使用锁相放大技术作为信号检测方法，对甲烷气体在1 6 6 5 n m 波段的吸收特性进行了实验研究，测得实验室条件下高浓度甲烷气体的吸收系数：通过扩散实验和稳定性实验对实验系统的性能进行了分析，结果表明系统的理论可探测甲烷气体最低浓度为1 6 ，灵敏度和分辨率分别为0 0 0 7 5 u w p p m 和6 6 p p m ，系统重复性和稳定性良好关键词：甲烷；光纤气体传感器；窄带d f b 激光器；锁相放大技术a b s t r a c ta b s t r a c t ：m e t h a n ei sam a i nc o m p o n e n to fm a r s hg a s , a n di ti sv e r yi m p o r t a n tt od e t e c tm e t h a n e sc o n s i s t e n c yr e l i a b l ya c c u r a t e l ya n dr a p i d l yf o rt h es a f ep r o d u c t i o ni nm i n ea n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n w i t hh i 【g hs e n s i t i v i t y , w i d ef r e q u e n c yr e s p o n s e ,s u i t a b l ef o rb a de n v i r o n m e n t , o p t i cf i b e rg a ss e n s o ri sd r a w i n gm o r ea n dm o r cr e s e a r c h e r s a r t e n t i o n b a s e do nt h em e c h a n i s mo fa b s o r p t i o ns p e c t r o m e t e r , a no p t i cf i b e rg a ss e f l s o rf o rm e t h a n ew a sd e s i g n e d ，a n dl i g h ts o u r s , t h ed e t e c t o rp a r t , t h eg a sa b s o r p t i o nc e l la n ds e n s o rw e r cr e a l i z e di n t h i sd i s s e r t a t i o n t h e1 6 6 5 n md f bl ds e r v e r e df i r s t l ya sn a r r o wb a n dl i g h ts o u r c ef o rd e t e c t i n g , a n dap h a s el o c k e da m p l i f i e ri su s e dt od e t e c tt h es i g n a l t h es p e c i f i ca b s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i co fm e t h a n ei n1 6 6 5 n mi ss t u d i e db yt h ee x p e r i m e n ts y s t e m , a n dt h ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to fm e t h a n ew a sm e a s u r e di nh i g hc o n s i s t e n c yi n1 6 6 5 n m t h ef u n c t i o no ft h es y s t e mw a sa n a l y s e db yd i f f u s e n e s se x p e r i m e n ta n ds t a b i l i t ye x p e r i m e n t i ts h o w st h a tt h em i n i m u md e c t e c t a b l eg a sc o n c e n t r a t i o nc a nr e a c ht o1 6 t h es e n s i t i ya n dt h ed i f f e r e n t i a t i o nr e a c ht oo 0 0 7 5 u w p p ma n d6 6 p p mr e s p e c t i v e i y t h es y s t e mi so fg o o ds t a b i l i t ya n dr e p e a t a b i l i t y k e y w o r d s ：m e t h a n e ；o p t i cf i b e rg a ss e n s o r ；t h en a r r o wb a n dd f bl d ；p h a s el o c k e da m p l i f i e dt e c h n o l o g y致谢本论文的工作是在我的导师盛新志教授、吴重庆教授的悉心指导下完成的，盛新志教授、吴重庆教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来盛新志老师、吴重庆老师对我的关心和指导。盛新志教授、吴重庆教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向盛新志老师、吴重庆老师表示衷心的谢意盛新志教授、吴重庆教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢在实验室工作及撰写论文期间，王智老师、王拥军、魏斌、季江辉、余贶碌等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。1 1 引言第一章绪论瓦斯爆炸是矿井生产中的多发事故，在我国煤矿安全事故中，瓦斯爆炸造成的伤亡占所有重大事故伤亡人数的一半以上，这给国民经济、矿工的人身安全造成了巨大损失【“甲烷是矿井瓦斯气体的主要成分，约占8 3 8 9 ，是常见的易燃易爆气体和多种液体燃料的主要成分，是目前安全生产的主要威胁之一甲烷在空气中的爆炸下限体积分数为5 3 ，上限体积分数为1 5 。实现对矿井甲烷浓度的可靠、高效、实时监测，一直是矿业研究和生产中的焦点问题，是石油、化工行业安全生产的保证。随着工农业的发展及科技的进步，许多城市使用天然气作为生活用气，对于甲烷气体泄漏的检测就显得更为重要世界各国都成立专门的组织，研究开发甲烷等有害气体的检测方法和气体传感器，有害气体的检测已经逐渐成为传感器技术发展领域的一个重要课题。1 2 气体传感器概述气体传感器利用被测气体的物理化学性质来检测气体。它分为物理性和化学性两种物理性传感器通过样品的光透过率、折射率、电导、电容等物理量的变化进行传感检测；而化学性传感器通过化学反应、电化学反应引起样品物理量的变化进行传感检测。表1 1 列出了当前主要的气体检测方法及其性能 2 - 3 传统瓦斯传感器大多采用铂丝制成，瓦斯在铂丝上燃烧产生热量，使铂丝电阻值上升此传感器的优点是：输出的电信号与瓦斯浓度成正比，线性好，灵敏度高，受湿度和温度影响小，价格低廉；缺点是：只能测量低浓度瓦斯，易受高浓度瓦斯或硫化物的影响而中毒。铂丝型瓦斯传感器使用一段时间后，常常产生零点漂移和灵敏度下降等问题，每隔一定时间要调整零点和用标准气体进行灵敏度校正。此类瓦斯传感器的稳定性和可靠性还有待进一步提高【4 】。8 0 年代初，美、英、俄、波等国先后完成从传统光干涉型气体传感器向热催化式气体传感器过渡，后经多年的改进和完善，热催化传感器的精度、稳定性和寿命都有很大提高。但由于传感器敏感元件检测原理和元件的结构等多种原因，传感器依然存在测量范围相对较小、加热元件易中毒、寿命一般不超过两年等问题 5 1 表l - l 气体检测方法及其性能稃盔响测可应稳经量检测敏靠速定济范方法度性度性性围半导体式很好一般一般一般廉价达l e l电化学式良好良好良好中等中等较宽接触燃烧式很好很好迅速一般廉价达l e l固体电解质式一般良好一般良好中等较宽m o s 场效应管式一般较差良好较差中等较宽高分子式良好较差一般较差中等较宽红外吸收法良好良好良好良好中等相当宽光纤式很好很好很好很好昂贵相当宽目前国内应用较多的甲烷浓度报警器，多采用半导体式气体传感器，例如：氧化锡、氧化锌加贵金属催化剂作为气敏元，但是由于银等金属催化剂长期曝露在混合气体中，容易氧化中毒，致使探测器失灵。近些年新发展起来的由氧化铁系的气敏陶瓷、复合金属氧化物、半导体气敏陶瓷以及混合金属氧化物陶瓷制作的气体传感器嘲，由于不用催化剂，故探测灵敏度和稳定性有所提高。但是，上述甲烷气体传感器普遍存在以下缺点：灵敏度低成本高响应时间慢稳定性差，抗干扰和适应恶劣环境能力差，寿命短。光纤气体传感器是8 0 年代前后出现的一种新型传感器【”。随着光纤通信技术迅猛发展，光纤理论得到不断深化，光纤制造工艺日臻完善各种光纤元器件逐步商品化，为光纤测试技术莫定了理论基础并提供了物质条件。由于光纤本身的特点，这类传感器以其优异的远距离遥测、抗电磁干扰、适用于易燃易爆等恶劣环境的能力而备受人们关注【o 】。与其他类型的气体传感器相比，它具有以下优点：( 1 )灵敏度高，频带宽，动态范围大。由于传输的信息载体是光，光信号载频高，频带宽，光器件已较成熟，所以已研制成功的光纤传感器分辨率大部分优于其他同类传感器，且动态范围较大。( 2 )光纤不仅可作敏感元件，当用作传输线时，其损耗很低，因此不必2考虑测量仪器和被测物体的相对位置；特别适合于带电传感器不太适于的地方，可以与光纤遥测技术相配合实现远距离测量与控制( 3 )光纤材料有很好的电绝缘性光纤传感器不受电磁干扰，能避免产生火花，适用于油酒气体它耐高压，耐腐蚀，在恶劣环境下工作可靠( 4 )光纤是无源器件，对被测对象不产生影响。其自身独立性好，可适应各种使用环境( 5 )光纤传感器组成的光纤传感器网络便于与中心计算机连接，可实现多功能、智能化的要求( 6 )光纤加特殊保护层后能在高，低温下工作。( 7 )光纤传感器体积小，重量轻，安装简单。光纤气体传感器可分为两大类，一类是功能型传感器，光纤在传感器中既是传输光信号的介质，同时经过一定处理后，又可作为功能性的传感元件这类传感器的特点是灵敏度比较高，但光纤必须做一定的化学或物理处理，故工艺较为复杂另一类是非功能型传感器，利用其它敏感元件制作的探头感受被测量气体的变化，光纤仅作为光的传输介质，传输来自远处的或难以接近的场所的光信号 1 1 - 1 4 。其中非功能型传感器的研究目前在国内外占有主要地位。功能型光纤气体传感器：( 1 )近场池漏型：光纤中，光同时在芯层和包层中传播，在包层中传播的光被称为辐射波，它以光轴为中心，向两侧迅速衰减如果光纤无包层，则辐射波会透过光纤。作为功能型传感元件的光纤被热拉伸到几个微米。此时光纤中传输的光功率的4 0 将以辐射场的形式暴露在光纤的外部，并与该处的气体发生作用，引起输出光强的变化，从而检测到气体的浓度。( 2 )多孔光纤型：多孔光纤是经过复杂工艺制成的，内部有大量密集的小孔。外面包一层能与被测气体相互作用的化学物质，当气体进入多孔光纤时，会改变其光吸收特性发生变化。从而检测到气体的浓度( 3 )光纤荧光型：定波长范围的光在此光纤中传播时，会将包层激发出荧光，并混合到芯层内这种光的强度与特点气体浓度有一定的函数关系，从而检测到气体的浓度。( 4 )功能型干涉型：这种传感器的关键部分是采用干涉仪来检测传感光纤的光学光路变化。例如，在光纤外涂一层钯可用来检测氢气浓度当金属把与氢气接触时，其晶格会扩张，导致被包的光纤纤芯伸长，3从而使光纤的光程增加，利用检测手段检测到这种变化，进而得到气体的浓度。在光纤芯层外涂敷不同的材料作包层可检测不同的气体( 5 )光纤反射型：在光纤端面用溅射或蒸镀等工艺手段，涂敷上一层敏感材料，如一层镍，可测氧气浓度。当端面涂镍的光纤置于氧气中时，纯镍即被氧化，其厚度变薄，光纤端面镍的厚度变化将引起该端面的f r e s n e l 散射的变化，用o t d r ( 光时域反射计) 检测出这种背向散射的变化，即可得到氧气的浓度。非功能型光纤气体传感器：( 1 )吸收光谱型：这类传感器是基于气体对光谱的吸收特性，利用不同分子各自不同的吸收谱线，通过对某一特定的吸收谱线强度的探测，而达到检测对应气体成分及浓度的目的( 2 )薄膜透射型：将一种对气体敏感的材料涂于透明膜片表面，当气体浓度变化时，透射过薄膜的光强亦发生变化，即透过薄膜的光强受到气体浓度的调制，从而可以检测到气体浓度。( 3 )非功能干涉型：利用气体浓度与气体折射率的关系，用干涉法检测气体折射率的变化，从而间接得知气体浓度。( 4 )r a m a n 散射型：简单地讲，r a m a n 散射是光子与分子的刚性碰撞，使能量重新分布，对于不同的气体，其r a m a n 散射的特性不一致，依据这一原理，可检测气体浓度。根据对光进行调制的手段不同，光纤气体传感器还可分为强度( 振幅) 、相位、频率，偏振、波长调制型等不同工作原理的光纤气体传感裂“1 9 1 从发展的角度看，分布式光纤传感系统以及光纤传感器网络代表了光纤传感技术在结构和方法上的发展方向，这一方向将光纤通信技术与光纤传感技术充分结合，可形成所谓智能结构。目前，光纤气体传感器一般工作在1 0 u m - 2 0 u m 波长范围，能够检测的气体种类有限，系统本身的性能和成本还受到现有技术条件的制约。随着光源技术( 如可调谐光纤激光器，宽带大功率辐射光源等) 、探测器技术和光学解调技术的发展，多路复用技术很有可能用以实现多点或( 准) 分布式传感，一个传感头可能同时测量多种气体，工作波长可推移到红外( 大于3 u r n ) 波段。在这一波段上，许多气体有较强的吸收峰，因此可望应用较简单的信号处理技术来保持或进一步提高传感器的灵敏度。41 3 吸收光谱型光纤气体传感器国内外研究现状国外发达国家对甲烷气体的在线检测仪器研究和应用方面起步较早，在诸多的检测方法中，吸收光谱型光纤气体传感技术方案是最有效并且应用最广泛的方法最早用光谱吸收式光纤传感技术进行气体浓度测试研究的是日本t o h o k u 大学的h i n a b a l l k c h a r t 等人【2 0 】1 9 8 3 年，他们用l e d 作为宽带光源，配合窄带干涉滤光片，对甲烷在1 3 3 1 2 n m 附近的q 线进行检测。这一系统的气室长度为0 5 m ，传输光纤为1 0 k m 长的多模光纤，接收元件采用干冰和甲醇混合制冷的锗探测器，系统最小可探测灵敏度为2 5 l e l ( 气体爆炸下限) 【”】。1 9 8 7 年，j p d a k i n 和c a w a d e 等人报道了一种利用梳状滤波器和宽带光源( l e d ) 测量甲烷气体浓度的方法圈宽带入射光可覆盖一簇气体吸收峰，通过气体吸收后，光谱被调制为梳状。这种方法适合于甲烷和乙炔等具有梳状吸收峰的气体随着分布反馈式半导体激光器( d i s t r i b u t e d - f e e d b a c ks e m i c o n d u c t o rl a s e r ，d f bl a s e r ) 研制成功，光纤气体传感精度又有了提高1 9 9 0 年。h t a i 和k y a m a m o t o 等利用1 6 6 u r n 单模分布反馈式半导体激光器( d f bl d ) ，采用了波长( 频率) 调制的谐波检测方法，室温下检测甲烷气体浓度，最小可探测灵敏度可达2 0 p p m 。该系统将可调谐半导体激光光源( d f bl d ) 波长调制谐波检测和光纤技术结合起来，获得了很高的探测灵敏度网1 9 9 2 年和1 9 9 3 年，日本的h u m i oi n a b a h e 年l l 澳大利亚的t a i 等人研制了基于直接吸收的多点甲烷测量系统，这一系统应用几个0 5 m 长的气室作为敏感元件，多模光纤传输0 6 6 u m 的l e d 光源，系统的检测灵敏度达5 l e l 该仪器已在日本、澳大利亚等国试用，是目前商品化较好的仪器。1 9 9 8 年，英m s t r a t h c l y d e 大学的g s t e w a r 报道了一套利用空分复用方式工作的多点光纤气体传感系统渊，原理比较简单，相当于多套光纤气体传感系统共用一个光源。国内吸收型光纤气体传感方面的研究起步较晚，始于8 0 年代末。基于d f b 激光器的成本因素，国内吸收式光纤气体传感器的研究主要还是以l e d 作光源。上海交通大学应用物理系的一个研究小组于1 9 9 0 年用国产元件建立了一个检测大气中甲烷气体浓度的实验装置。该装置的测量灵敏度约为7 0 0 0 p p m ，是甲烷气体在大气中最低爆炸极限的1 3 。1 9 9 8 年，大连理工大学刘文琦等报道了用1 3 1 u m l n g a a s p 型l e d 作光源对甲烷气体进行了光纤传感研究1 2 5 】为了获得更大的光强变化量，在气室中采用了纳米级多孔透射膜，来增加气体的传感长度，增加检测灵敏度。2 0 0 0 年，浙江大学叶险峰博士用1 3 u m l e d 作光源，配合闪耀光栅对甲烷气体进行了检测实验，检测灵敏度为1 3 0 0 p p m m 1 2 。s 2 0 0 1 年燕山大学王玉田教授及郭增军博士提出光纤传感技术和计算机数据处理技术相结合，研制一种基于差分吸收技术的光纤甲烷气体检测仪 2 7 1 2 0 0 4 年，王玉田教授和他的研究小组利用复用多个光谱吸收型光纤传感器，并通过谐波检测技术对微弱信号进行处理，设计一套甲烷气体多点光纤传感系统。该传感器系统可探测气体浓度范围为2 0 0 p p m 1 0 0 ，仪器可在多场合进行多点在线，测量精确度和稳定性均大大提高，但是测量点数目依然不高【2 8 j 。目前，国内光纤气体传感器都还处在实验室阶段，离实际应用还有很大的距离1 4 本文的主要工作( 1 ) 检测甲烷气体浓度实验系统的设计，以及检测光源的研制、气室与传感探头的研制、检测电路的研制。( 2 ) 甲烷气体吸收特性的研究，国内首次使用波长1 6 6 5 n m 的d f b 激光器对甲烷吸收特性进行了研究6第二章光谱吸收式光纤气体传感器测量原理2 1 光谱吸收法原理光谱吸收型光纤气体传感器，基于分子振动转动吸收特征谱或泛频，复合吸收谱线与发光谱的一致性进行工作。根据比尔一朗伯定律：波长为入的单色光穿过如图2 1 所示长为上的气室后：l ，= o ，e x p - a ( 五) l c 】( 2 1 )其中o ) 1 ) 分别为入射和出射光强，口( a ) 为气体对波长五的光的吸收系数，c 为气体浓度。即：一壶h 等弘2 )口( a ) 工o l、理想情况下，若已知口( 五) ，通过测量经气体吸收后的光强l 可得到待测气体样品的浓度c 图2 1 光谱吸收法原理图2 2 气体分子的光谱选择吸收理论光谱吸收法测量的基本理论是气体分子的选择吸收理论刚：气体分子只能吸收那些能量正好等于它的某两个能级的能量之差的光子，不同分子结构的气体会因为其不同结构所决定的不同能级而吸收不同频率的光子。吸收光子后，气体分子跃迁到激发态，在激发态停留很短的时间后，又通过释放出光子回到稳定状态。气体分子结构各异，不同气体的吸收光谱也因分子结构不同而不同，因此检测某种特定波长光的吸收情况可以进行气体的定性和定量分析。2 2 1 多原子分子光谱理论分子吸收一定波长的电磁波，可引起分子的能量变化，发生不同能级跃迁，而呈现相应的分子吸收光谱嗍分子的能量，包括原子核的能量e 、分子平动能7量e ，、电子能量e 、键的振动能量e ，、分子的转动能量e 、分子基团问的内旋转能e 以及核的白旋能量e 。跃迁过程中，分子吸收电磁波的能量发生能级跃迁的激发能a e ，主要取决于三种能态的变化：a e = 嵋+ 幄+ 皿( 2 3 )本课题所采用的光源波段位于近红外区，应不包含电子能态之间的跃迁。在常温情况下，分子中成键原子间的振动，可以近似地用简谐振动来描述，见图2 - 2 。对于多原子分子，分子中的每一个原子都可以沿空间坐标的x 、y 、z 轴方向运动，有3 个自由度。一个由n 个原子组成的分子，应有3 n 个自由度除去其中的3 个平动自由度，3 个转动自由度，一般非线性分子应有3 n - 6 个振动自由度。在线性分子中，不会有沿分子轴的转动；非线性分子中沿x 轴的转动在线性分子中相应地变为弯曲振动所以，线性分子的振动自由度增加一个，为3 n 5 个。这3 n - 6或3 n - 5 个独立的振动称为分子的简正振动。虽然多原子分子的振动很复杂，但它们都是由许多简正振动组合而成。每个简正振动都具有一定的能量，可以在特定的频率发生吸收。因此每一种形式的运动都表现出各自的光谱特性【3 l 】。图2 - 2 成键原子的简谐振动2 2 2 基频、谐频及泛频光谱1 3 1 1分子必须满足下列条件才能吸收红外辐射：矩的变化；分子振动频率与红外辐射频率相同。而跃迁几率与瞬时偶极矩的平方成反比当忽略分子转动与振动之间的相互影响时，0分子振动或转动时伴有瞬时偶极红外吸收强度与跃迁几率有关，在一定的近似条件下，可得出如j e 鏖銮煎盔堂亟圭堂焦监塞箍三重迸进哩蝗式造红氢佳挂壁墨测量厦理下结论：( 1 ) 只有当分子具有永久偶极矩时，才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问，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，由于分子地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。( 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。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，则振动也含有频率弛，札，此外还含有频率+ ，2 叶一上述两组频率分别称为谐频和泛频，在红外光谱中，除了基频之外，也会出现谐频和泛频。由于非谐性一般较小，谐频和泛频光谱跟基频光谱相比弱。不过，在激光这样的强光源下，谐频和泛频这样的微弱吸收也可以测量。分子的转动与振动能够同时发生，这种转动与振动的结合是分子红外光谱精细结构的物质基础。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 3 2 - 3 3 2 3 甲烷气体光谱特征吸收线2 3 1 气体分子的典型吸收线由量子力学和光谱学理论，中心位于波数v 0 的单根谱线，其线吸收系数随波数v 的变化为：下= 詈n g ( v v o ) ( 2 - 4 )其中：g o , - v o ) 为归一化的线型函数，v o 为谱线中心处的波数( c m - 1 ) ，t o = 2 7 3 k ；n l = 2 6 8 6 8 x1 0 ”m o l e c u l e c m 3 ，为标准温度与压力下，理想气体单位体积的粒子数；最。为分子吸收线强度，r 为标准温度。9即：波数为1 ，的单色光经过被测气体，吸收系数可以表示为各线吸收系数的叠加，口( d = ( v )( 2 5 )图2 - 3 气体分子的典型吸收线示意图图2 3 是气体分子的典型吸收线示意图，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间和自然寿命。这个宽度非常小，可以忽略其影响。根据分子谱线加宽机制的不同，主要有三种线型：在低压条件下( p o 1 a m a ) 。分子碰撞加宽占优，可用l o r e n t z i a n 线型描述；在中间条件下表现为v o i g t 卷积本课题测量条件为大气压，使用l o r e n t z i a n 线型描述分子谱线加宽。口( = f ( 2 - 6 )1 + ( 嚣) 2式中口( 五) 表示波长a 处的吸收系数，凡表示对应吸收峰。，2 表示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，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。因此，在压力保持一定时情况下，甲烷的谱线形状、宽度等可认为保持不变。2 3 2 甲烷气体特征吸收谱线的选择c h 4 分子有4 个振动基频对应波数：氓= 2 9 1 3 o c m 一，v ，= 1 5 3 3 3 c m ，b = 3 0 1 8 9 c m 一，= 1 3 0 5 9 c m “每一个固有振动对应一个光谱吸收区，它们的中心波长分别为3 a 3 u m ，6 5 3 u r n ，3 3 1 u m 和7 6 6 u m ，另外在近红外区，有许多谐频和泛频带1 3 4 1 9 8 3 年，日本t o h o k u 大学用i n g a a s p l e d 和锗探测器【3 5 】测得在1 3 3 哪附近的q支强吸收，吸收峰出现在1 3 3 1 2 u m 处，用0 3 n m 分辨率的率光片测得吸收系数为5 4 m 。1 9 8 4 年，该大学又对甲烷分子的2 v 3 谐波段进行了检测，发现在1 6 6u m 附近q 支带的光谱带宽约为3 n m ，最大吸收波长在1 6 6 5 4 u m 处，用0 3 n m 分辨率的率光片测得吸收系数为5 4 m 甲烷分子在1 3 3 u m 及i 6 6 u m 处的精细结构谱图参见图2 - 4 、图2 _ 5 1 3 6 - 3 7 1 波长( u m )图2 - 41 3 3 u m 波段甲烷吸收谱线波长( u m )1 6 31 6 41 f dl 6 61 1 5 71 醒1 6 9q 线图2 - 51 6 6 u m 波段甲烷吸收谱线l l韭塞窑适盔堂亟堂僮丝塞筮三重蠹建哩蝗盛趟红氢佳篮盛矍捌量厦堡本实验系统选择了甲烷分子在1 6 6 u r n 处的吸收谱线进行测量，对于这个波长的选择主要考虑了以下几点：1 ) 气体的标准吸收光谱位于2 5 2 5 u r n 的中红外区【3 s - 3 9 1 ，这一波段的激光器价格昂贵，使用不方便；另外，石英光纤在在这一波段传输损耗太大，不利于长距离传输。通信中应用的d f bl d 具有频率单一、窄线宽的特性，是适合于光谱吸收型光纤气体传感器的光源，同时1 6 6 u r n 波段处于光纤的低损耗、低色散区，更接近通信常用的1 5 5 u m 波段，光纤器件更容易获得普及。2 ) 同1 3 3 u r n 波段相比较，甲烷在此处有更强的吸收，更有利于提高系统检测灵敏度 4 0 1 3 ) 考虑其它气体如水蒸气、二氧化碳等在此处无明显吸收1 4 1 】。综合多方面的因素，所以在本系统中选择1 6 6 u m 波段的近红外光对甲烷气体进行传感2 4 微弱信号检测技术2 4 1 差分吸收法检测光源频率和波长的波动、光路耦合效率的变化、环境因素的影响、光纤传输特性的干扰、光电器件和电路的温漂，都会不同程度影响系统的检测灵敏度。差分吸收发是将光源的光分为两路，一路带有被测气体的信息，称为测量光路；另一路未经气体吸收，称为参考光路。以上不稳定因素对两路信息的影响近似相同，故可以消除影响系统检测灵敏度的不利因素f 4 2 】。2 a 1 1 单波长双光路法单波长双光路法的原理参见图2 - 6 。同一光源发出的光经耦合器分为两路分别进入测量光路和参考光路，只要保证两路选择探测器的性能相似，则可以消除光源不稳定性和光电器件的温漂、时漂的影响。图2 - 6 单波长双光路吸收法原理图1 22 4 1 2 双波长单光路法用两束波长相隔很近，但是对甲烷吸收系数差别很大的光同时通过甲烷气体，波长 位于气体吸收峰，波长五位于待测气体的非吸收处，经过气体后两种波长光强度的变化比显示待测气体的吸收强度，参见图2 7 双波长单光路不但可以消除光源和光电器件的影响，还能消除气体波动、气室上粉尘沉积等因素的影响，且降低了对选择探测器的要求。2 4 2 光源调制技术2 4 2 1 强度调制图2 7 双光路差分吸收法原理图强度调制就是通过光源调制的驱动电流对光源的输出功率进行调制，调制后输出功率为：，o ( 名) = z o ( 五) ( 1 + m s i n 耐) ( 2 - 7 )经过气体吸收后输出功率为：，( = i o ( 五x l + r o s i n 耐) e x p - a ( c l 】( 2 - 8 )光源强度实际上是一种直接吸收的检测方法，探测器接收到的光功率是经过气体吸收后的剩余光功率在信号处理中通过窄带滤波提取频率为调制频率的信号则可一定程度上消除光源功率波动的影响，提高信噪比，但是同时，也对光源驱动电流和温度控制提出了更高的要求。2 4 2 2 吸收系数调制气体对光的吸收率是光波频率的函数，因此，通过调制光源的频率即可实现吸收系数的调制1 4 3 】。设光源的调制形式为：“五) = z o ( 五) ( 1 + is i n t o t )则吸收系数也相应受到调制：口( 五) = a o ( 五x l + m 2s i nn )( 2 9 )( 2 1 0 )将上两式代入式( 2 1 ) 中，经信号处理系统提取出二次频率分量，得：j ( 五) = 1 1 0 ( 2 ) k ( 五) e x p 一f l ( 五) a o c l m l m 2s i n2 耐( 2 11 )可见输出都是具有频率特性的信号，使其具有较高的检测灵敏度。其工作原理参见图2 - 8 。2 a 2 3 浓度调制图2 8 吸收系数调制原理图若气室内的气体压力能被调制，就可以实现气室内气体浓度的调制 4 4 1 。在参考气室内放置一个声源，在声源激励下，腔内气体可以形成驻波场，这样除了驻波腹点以外，其他任意点的气压将按调制频率作有规则的变化。其原理图参见图2 - 9 。图2 - 9 浓度调制原理图探测光顺序经过测量气室和参考气室，在参考气室中装有纯的待测气体，对参考气体的压力调制使得参考气体和测量气体吸收谱线的相关度发生变化，从而1 4在直流变化的光信号上叠加了一个交流光信号，输出交流信号的幅度大小对应测量气体的浓度由于检测气室内的干扰气体与参考气体吸收光谱不相干，对输出交流信号没有影响，这样就消除了非相关气体对信号的干扰。这是一种抗干扰能力很强的检测方式，但是，在容积小的气室中形成驻波，其振幅不可能很大，这不利于提高检测系统的信噪比；另外，声源的驱动必然使气室带电，所以压力调制技术一般被用于相关光谱法检测气体的浓度嗍。2 4 3 锁相放大技术由于光谱吸收型光纤气体传感技术接受到的信号一般较微弱，信号往往淹没在噪声中，降低传感器和放大器的固有噪声可以减少噪声对检测灵敏度的影响。在信号检测处理中，通常采用两种方法一种是选频放大测量，使用滤波器滤去噪声，对有用信号放大测量。由于滤波器带宽问题，以及放大器本身也会带来噪声，检测灵敏度很低。另一种常用于光纤气体传感检测的是锁相放大技术，效果较好它利用相敏检波( p s d ) ，既作变频，又作相干降噪，再用直流放大器作积分、滤波，最后做信号幅度测量f 4 6 】。本系统就是采用锁相放大技术来处理检测信号。下面介绍锁相放大器的工作原理。周期性脉冲方波的时域函数为：=v ( o f t0stt吒螂d ( 2 - 1 2 )巧可( f + r ) = k 矿( f )傅立叶展开为：= 导+ 2 霈v ( s i n 耐+ 扣3 一)( 2 1 3 )经过一阶带通滤波器后的测量方波变为：( d = ks i n ( 耐+ d模拟乘法器输出： ：；v , s i n ( 耐+ p ) 【昙+ 兰(1i s i n t a t + ；s i n 3 耐+ - - ) ( 2 - 1 4 ) 2 5耐+ p ) 【+ 詈可以看到，只有基波项相乘后：v , s i n t 罐十回鲨s i n o $ = ! 兰【c 。妇一c o s g 耐+ 旬】( 2 1 5 )再经过滤波后保留下来：巧= 等咄口( 2 - 1 6 )魍趣移硼器调墅6 ，2 u ，所以叫队l 匠也铡重橱出明且况米累得头上作原埋图见图2 1 0 相位麓盯相位羞9 0 捆投蓉i8 0 梭黜信号d n d 飞n “门，参照傣粤 = = j 册专毯跹一f 措r 豹输出* 芝鲨x 监一w i 心烈爪：陡弋天太，太：多一+晰均输出2 5 本章小结o图2 1 0 锁相放大器工作原理图本章论述了光谱吸收式法的基本原理，详细分析了提高微弱信号检测灵敏度的各种方法，结合以上分析和环境要求，确定了实验系统检测的甲烷气体特征吸收谱线，以及对应的基于d f bl d 的窄带光源锁相放大检测原理。第三章检测甲烷浓度实验系统3 1 实验系统的总体结构本实验系统用于矿井中甲烷气体的检测，设计要求：一( 1 )对甲烷气体实现高灵敏度、高分辨率的检测；( 2 )响应时间短；( 3 )长期工作稳定性优良，在恶劣的矿井环境中能够安全可靠地运行设备检修和维护方便。在上一章节中，本文已经分析和研究光谱吸收式光纤气体传感器测量原理，结合上述要求，所设计的实现的甲烷气体浓度检测系统的总体结构设计框图如图3 - 1 所示，实物图参见图3 - 2 。图3 - 1 检测系统的总体原理图图3 _ 2 检测系统的实物图1 73 2 探测系统的光源探测系统光源的性能好坏。直接决定了系统检测性能的好坏，因此探测光源的制备显得由为重要考虑实验系统的要求，自行研制了一套探测光源。3 2 1 探测光源的研制3 2 1 1 激光器的选择光纤气体传感器的工作模式、信号处理方法、灵敏度、分辨率等都受所采用的光源类型的影响，因此正确选择光源是优化设计光纤传感系统的前提。选择光源时，应考虑很多因素，如光源尺寸、工作条件、输出功率、波长和功率稳定度、寿命，光源的相干性、光源的光谱特性及光源与光纤耦合的难易程度等。分布反馈半导体激光器( d f bl d ) 是随着集成光学的发展而出现的，由于其动态单模特性和良好的线性，已在国内外高速率数字光纤通信系统和光纤传感系统中得到广泛的应用本测量系统选用中心波长为1 6 6 5 n m 的分布反馈式半导体激光器( d f bl d ) 作为探测光源，这种激光器具有窄线宽、低工作电流、波长及功率稳定性好、动态单模特性和良好的线性等特点，能够满足所设计的传感系统的实际要求。本文选用的1 6 6 5 n m d f b 激光器为十四针双列直插带尾纤封装其技术参数参见表3 - l ，其内部构成参见图3 - 3 。表3 11 6 6 5 n m d f b 激光器技术参数p a r a m e t e ru n i tm i n t y p m 双t o s tc o n d i t i o no p e r a t i n gc u 删m a8 0o p o r a t i c e iv o l t a g ev2o u t p u tp o w e rm w35p dm o n i t o rc u r r e n tu ao p t i o n a lp c a kw a v e l e n g t hml6 _ 6 2 51 6 6 51 6 6 7s i d em o d es u p p r e s s i o nr a t i od b3 5s p e c t r a lw i d t h0 2t h r e s h o l dc u r r c n tm a1 02 51 8各引线管脚定义如表3 - 2 ：图3 - 3 激光器内部构成表3 2 激光器引线管脚定义表p i nf u n c t i o np mf u n c t i o nlt e c ( + )3p d ( + )2n c9l d ( - )3n c1 0c a s e4n c1 lt h e r m i s t o r5l d ( + )1 2t h e r m i s t o r6n c1 3n c7p d ( - )1 4t e c 。( - )3 2 1 2 激光器驱动电路的研制驱动电路的原理框图见图3 - 4 ，实物图见图3 - 5 。图3 4 驱动电路原理图1 9| l |置1 l 哩箭_偏一丝控一馘筒流l毋各一交一嘲醵一控一蜢用一口兰直ri叫ll直叫1罩幽3 - 5 驱动电路实物图半导体激光器是阈值器件，在阈值以上它的p - i 曲线才是线性的为获得较快的调制速率降低调制电流，应该给激光器加上一个直流偏置。选择直流预偏置电流考虑以下几个方面：( 1 ) 加大直流偏置电流使其逼近阈值，可以减小电光延迟时间，还可以抑制张驰振荡。当激光器偏置在阈值附近时，较小的调制脉冲电流就能得到足够的输出光脉冲，这样可以减小码型效应和结发热效应。( 2 ) 偏置电流也不能过大，否则会使激光器消光比恶化，而光源的消光比又直接影响接收机的灵敏度，为不使接收机灵敏度明显下降，消光比一般应小于1 0 。参考图3 6 调制系统框图激光器电路设计要求将达到对输入的高电平的电信号进行放大，转换，最终2 0换成电流信号加载到半导体激光器上从而形成光信号输出。电路原理框图如图3 - 6所示。从图3 - 6 还可以看出，如果两个电流源并联工作，那么总电流就等于这两个电流源电流之和i = l o4 - l 。t 3 1 )其中j 。，厶和l 分别为流经l d 的总电流、直流偏置电流和调制电流。激光器驱动芯片选用m a x i m 公司的m a x 3 6 6 9 ，可调节偏置电流范围l 8 0 i i 认，可调节调制电流范围s _ 7 5 m a ，且具有工作电流监视和平均光功率控制，符合实验系统的要求，其管脚定义见表3 - 3 。表3 - 3m a ) ( 3 6 6 9 管脚定义h *1 0 6 ec氏- 神囟帅蛐0 1 l0 m 2 id a t a -r - - - p e c l d a t a h o ub t -g p e c l d 哪毛帕1 4 2 1a 忡d丝3 0自 w轴 c w r 州s 。i _ x p “| 。n * l l 碲h i - 哺c m 州蒲 c , t w r 枷轴w c - p 口p c o n “t o t b b wr m 削_ i c h 州日“黜i 潞钟嗍“”1 ，丌l o p 幢h d - 埔t p c b 肿埘m a _ i n t * a t j 脚弘d 脚h 抽。叼h a 6 曲r - 罐*1 2 1 筑a tc如c a 幽it m m x 日d 万勰l 赫- 鱼 c 咐州锄d b 目h 0 - n h _ w 鼽h m t _ t c t估d 勰僦裟躲嚣勰“叫“哪蜊。蛐 o u t -誉黧盔嚣慧躐燃嚣鉴：嚣“叫“哪呐“臼魏篇盘端勰盖；= ：凹：螺：甍嚣器2 p “”“”嚣黧譬嚣篇黧嚣囊擞嚣“”“。“叫。删。“蕾 r wc d 嚣a 懈r l 锥m q i n a a m m # e 钟b “d 【) c m a t mc m c t 1 i o m 岫舾m h o o 鲥b g u n d * p c tr 耐u s d3 |m 。d a 蛳阳r * i 勘r m _ 蛐”胁t p d t o g m m d 始口孙h 晡m o a 抽i 加c w r 并矩捌 硝罄嚣镏鸳尝盅嚣2 竺2 落凇怒怒：粼嚣慧：渊：器键8埘岫硎晡峙删r 州蜘i 舳舢，c b 肇* 嘲州；典型应用电路见图3 - 7 ：图3 7 m a x 3 6 6 9 典型应用电路2 1考虑到保证信号质量、使实验中调制频率的选择具有更大的灵活性，以及今后对调制信号进行编码的需要，本文选择l a r i c 公司的可编程逻辑器件c p l d ( 型号4 1 2 8 v ) ，1 0 0 管脚，3 3 v 供电，工作时钟1 9 4 4 m ，在i a t t i c 的开发平台1 s e l e v e l上使用v e r i l o g 语言进行编程，通过下载线写入c p l d 中，用一个i o1 2 1 作为信号输出管脚3 2 1 3 温度控制电路的研制半导体激光器是高速调制的理想光源，但是，半导体激光器对温度的变化是很敏感的，温度的变化和器件的老化给激光器带来的不稳定性主要表现在：激光器的阈值电流随温度呈指数规律变化，并随器件的老化而增加，从而使输出光功率发生很大的变化随着温度的升高和器件的老化，激光器的外微分量子效率降低，从而使输出光信号变化。随着温度的升高，半导体激光器的发射波长的峰值位置移向长波。温度控制电路的作用：。( 1 )消除温度变化和器件老化的影响；( 2 )消除温度变化带来的信号变化，稳定输出光功率；( 3 )消除温度变化带来的波长漂移。d f b 激光器中利用热电制冷器( t e c ) 作为激光器的冷热源一个t e c 是一个半导体p - n 结器件，利用帕尔贴( p e l t i e r ) 效应来制冷或加热。在t e c 两端加上一个直流电压就会产生一个直流电流，这会使t e c 的一个面发热，另外一个面制冷把t e c 两端的电压反向也会导致冷热面相反t e c 可以移去的热量与流过t e c 的电流值有关。当电流越大，移去的热量越多，但这并非是一种线性关系。因此，激光器的p h i 结温度可以通过控制流过t e c 两端的电流方向和幅度来控制。但是t e c 的电流一旦超过某个最大值，t e c 就不再制冷而只是会发热，因此一个好的系统设计应该避免这种情况的发生。实验中使用的d f b 激光器含有一个能够检测激光器结温度的热敏电阻，其阻值为1 0 1 c n ( 而实际热敏电阻的阻值并不是严格等于产品说明书上所给的阻值) 热敏电阻检测出温度的变化，该信号经过放大后，