（通信与信息系统专业论文）光谱吸收式光纤气体检测理论及技术研究.pdf

光谱吸收式光纤气体检测理论及技术研究摘要光谱吸收式光纤气体传感器通过检测气室透射光强或反射光强的变化来检测气体的浓度，无需对待测气体进行人工采样和预处理，具有灵敏度高、选择性好、响应时间快等优点，近年来在气体浓度检测领域得到了广泛应用。首先，以分子光谱理论为基础，分析气体吸收线的谱线线型、谱线线宽与谱线展宽等相关理论。以比尔朗伯定律为理论基础，研究利用光谱吸收法测量气体的浓度，根据h i t r a n 数据库，选择近红外区甲烷2 v 3 带r 3 支的三条气体吸收线进行研究，并确定吸收谱线的相关参数。研究波长调制光谱与谐波检测理论，利用傅里叶级数展开模型和泰勒级数展开模型分析各次谐波信号，在频率调制信号模型的基础上，采用频率强度调制信号模型研究强度调制对各次谐波信号的影响。研究高斯线型和洛伦兹线型的各次谐波信号与波长调制系数的关系，确定各次谐波最佳的波长调制系数。对激光在光路中多次反射形成的标准具效应展开研究，为标准具噪声的抑制提供理论依据。其次，以锁相放大器的基本原理为基础，研究正交数字锁相放大器算法，利用正交数字锁相放大器提取一次谐波和二次谐波的幅值信号，抑制移相调节误差和模拟器件漂移对谐波幅值测量准确性的影响，提高系统的检测精度。分析二次谐波检测方案的特点与不足，提出利用一次谐波幅值信号进行气体浓度测量，一次谐波检测方案具有简单的系统结构，能够抑制激光器非线性强度调制和光源波长漂移等因素对系统检测精度的影响，降低系统对激光器稳定性的要求，使系统长期稳定、可靠地工作。再次，研究温度变化对气体吸收线的线强度、谱线宽度、吸收系数以及气体浓度测量产生的影响。讨论温度白校正方案和温度校准函数方案的优缺点，利用温度校准方案减小气体温度变化带来的测量误差。在分析可调谐二极管激光吸收光谱( t d l a s ) 技术测量气体温度原理的基础上，根据h i t r a n 数据库，选择6 2 4 1 4 0 2 8 2 8c m d 和6 2 4 2 6 7 2 1 9 0 e m 。1 波数处的两条c o z 吸收线作为研究对象，提出基于一次谐波检测的t d l a s 气体温度测量方案，并对t d l a s 气体温度测量的准确性进行分析，研究利用可调谐二极管激光吸收光谱技术测量气体温度的可行性。最后，基于一次谐波检测方案构建了甲烷气体浓度检测系统，并对系统中的激光器、光电检测器以及吸收气室等关键器件进行分析。研究激光在透射型气室与反射型气室中的光谱吸收，设计了5 1 0 c m 光程的透射型吸收气室，确定系统最佳的波长调制系数，降低调制系数波动对检测系统的影响。在实验室中利用一次谐波检测系统测量甲烷气体的浓度，实验结果表明系统的输出数据和甲烷气体的浓度呈现很好的线性关系，系统的灵敏度、分辨率、重复性和稳定性等性能良好。关键词：光谱吸收；波长调制；谐波检测；一次谐波光谱吸收式光纤气体检测理论及技术研究a bs t r a c to p t i c a lg a ss e n s o rb a s e do ns p e c t r u ma b s o r p t i o nd e t e c t s t h eg a sc o n c e n t r a t i o nb ym e a s u r i n gt h ei n t e n s i t yc h a n g e so ft r a n s m i t t e dl i g h to rr e f l e c t e dl i g h t i nr e c e n ty e a r s ，o p t i c a lg a ss e n s o rb a s e do ns p e c t r u ma b s o r p t i o nh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l do ft h eg a sc o n c e n t r a t i o nd e t e c t i o nf o ri td o e s n tn e e dt oe a r l yo nt h em a n u a ls a m p l i n ga n dt h ep r e t r e a t r n e n t ，a n di th a st h ea d v a n t a g e so fh i g h - s e n s i t i v i t y , g o o d s e l e c t i v i t ya n df a s t r e s p o n s et i m e f i r s to fa l l ，t h el i n ep r o f i l e ，t h el i n ew i d t ha n dt h el i n eb r o a d e n i n go ft h eg a sa b s o r p t i o nl i n e sa r ea n a l y z e db a s e do nt h et h e o r yo fm o l e c u l a rs p e c t r o s c o p y a c c o r d i n gt ob e e r - l a m b e r tl a w , i nt h en e a ri n f r a r e dr e g i o n ，t h et h r e em e t h a n ea b s o r p t i o nl i n e si nt h er 3t r a n s i t i o n so f2 v 3b a n da r ec h o s e na n dt h el i n ep a r a m e t e r sa r ec o n f i r m e dt om e a s u r et h eg a sc o n c e n t r a t i o nu s i n gs p e c t r u ma b s o r p t i o n w a v e l e n g t hm o d u l a t i o ns p e c t r o s c o p yt h e o r ya n dh a r m o n i cd e t e c t i o nt h e o r ya r es t u d i e d ，a n dt h e 丘e q u e n c y i n t e n s i t ym o d u l a t i o ns i g n a li sa n a l y z e db a s e do nt h ef r e q u e n c ym o d u l a t i o ns i g n a lu s i n gf o u r i e rs e r i e se x p a n s i o na n dt a y l o rs e r i e se x p a n s i o n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nh a r m o n i cs i g n a l sa n dm o d u l a t i o nc o e f f i c i e n t si ss t u d i e dt od e t e r m i n et h eb e s tw a v e l e n g t hm o d u l a t i o nc o e f f i c i e n t ，a n de t a l o ne f f e c t si sa n a l y z e di no r d e rt or e s t r a i ne t a l o nn o i s eo r i g i n a t i n gf r o mm u l t i p l er e f l e c t i o n si nt h eo p t i c a lp a t h s e c o n d l y , t h eq u a d r a t u r ed i g i t a ll o c k i na l g o r i t h mi ss t u d i e db a s e do nt h eb a s i cp r i n c i p l eo fl o c k - i na m p l i f i e r i no r d e rt os u p p r e s st h ei m p a c to fp h a s ea d j u s t m e n te r r o ra n da n a l o gd r i f t ，t h ef i r s th a r m o n i cs i g n a la n dt h es e c o n dh a r m o n i cs i g n a la r ee x t r a c t e du s i n gq u a d r a t u r ed i g i t a ll o c k i na m p l i f i e rt oi m p r o v et h ed e t e c t i o na c c u r a c yo ft h es y s t e m t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds h o r t c o m i n g so ft h es e c o n dh a r m o n i cd e t e c t i o ns c h e m ea r ea n a l y z e d ，a n dt h em e t h a n ec o n c e n t r a t i o ni sm e a s u r e du s i n gt h ef i r s th a r m o n i cs i g n a l t h ef i r s th a r m o n i cd e t e c t i o ns y s t e mh a sas i m p l es t r u c t u r e ，a n di n h i b i t st h ei n f l u e n c eo fn o n 1 i n e a ri n t e n s i t ym o d u l a t i o na n dl a s e rw a v e l e n g t hs h i f to nt h es y s t e md e t e c t i o na c c u r a c y t h ef i r s th a r m o n i cd e t e c t i o ns c h e m er e d u c e st h es t a b i l i t yr e q u i r e m e n t so ft h el a s e r , w h i c he n s u r e ss y s t e mr e l i a b i l i t ya n dl o n g t e r ms t a b i l i t y o n c em o r e ，t h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o no nt h el i n es t r e n g t h , t h el i n ew i d t h ,t h ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h ec o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n ti sa n m y z e d t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft e m p e r a t u r es e l f - c o r r e c t i o ns c h e m ea n dt e m p e r a t u r ec a l i b r a t i o nc o e f f i c i e n ts c h e m ea r ed i s c u s s e d ，a n dt h em e a s u r e m e n te r r o rf r o mt e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o ni sr e d u c e du s i n gt e m p e r a t u r ec o r r e c t i o ns c h e m e t h ep r i n c i p l eo fm e a s u r i n gt h eg a st e m p e r a t u r eu s i n g哈尔滨工程大学博士学位论文t u n a b l ed i o d el a s e ra b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y ( t d l a s ) t e c h n o l o g yi sa n a l y z e d ，a n dt w oc 0 2a b s o r p t i o nl i n e sa t6 2 4 1 4 0 2 8 2 8c m a n d6 2 4 2 6 7 219 0c m 1a r es e l e c t e db yh i t r a nd a t a b a s et os t u d yt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts c h e m e t d l a st e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts c h e m eb a s e do nt h ef i r s th a r m o n i cd e t e c t i o ni sp r o p o s e d ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft d l a sg a st e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti ss t u d i e d f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ef i r s th a r m o n i cd e t e c t i o ns c h e m e ，am e t h a n ec o n c e n t r a t i o n：d e t e c t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d ，a n dl a s e lp h o t o d e t e c t o ra n da b s o r p t i o nc e l la r ea n a l y z e d t h e510 c mo p t i c a lp a t ht r a n s m i s s i o n t y p ec e l li sd e s i g n e db a s e do nt h er e s e a r c ho ft h es p e c t r u ma b s o r p t i o no ft r a n s m i s s i o n - t y p ec e l la n dr e f l e c t i v e t y p ec e l l ，a n dt h e b e s tw a v e l e n g t hm o d u l a t i o nc o e f f i c i e n ti sd e t e r m i n e dt om i n i m i z et h ei m p a c to fm o d u l a t i o nc o e f f i c i e n tf l u c t u a t i o n s o p t i c a lg a sd e t e c t i o ns y s t e mb a s e do ns p e c t r u ma b s o r p t i o nd e t e c t st h ec o n c e n t r a t i o no fm e t h a n eu s i n gt h ef i r s th a r m o n i cd e t e c t i o ns c h e m e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei sag o o dl i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em e t h a n ec o n c e n t r a t i o na n dt h es y s t e mo u t p u t ，a n dt h es y s t e mh a sag o o dp e r f o r m a n c eo ft h es t a b i l i t y s y s t e ms e n s i t i v i t y , r e s o l u t i o n ，r e p e a t a b i l i t ya n dk e y w o r d s ：s p e c t r u ma b s o r p t i o n ；w a v e l e n g t hm o d u l a t i o n ；h a r m o n i cd e t e c t i o n ；f i r s th a r m o n i c第1 章绪论1 1研究背景第1 章绪论由于工业发展、人口增加、森林砍伐等原因，空气中有毒有害气体的含量不断上升，随着社会经济的发展，人们对生态环境的变化越来越关注，保护环境、实现社会经济的可持续发展已成为各国政府和人民的共同心愿。目前我国污染气体主要来源于能源、电力、化工等各种工业生产过程，为了保护生态环境、减轻污染气体的危害，对各种污染气体进行实时在线监测具有重要的现实意义【。煤炭是我国重要的能源资源，在国民生产、生活中起着十分重要的作用。瓦斯爆炸是煤矿安全的最大威胁，近些年瓦斯爆炸事故时常发生，据统计瓦斯爆炸事故已占到煤矿事故的8 0 以上，所造成的伤亡占据特大事故伤亡人数的9 0 以上。矿井瓦斯的主要成分是甲烷，约占8 3 - - 8 9 【2 1 ，甲烷为易燃、易爆气体，在大气中的爆炸下限为4 9 0 ，上限为1 5 4 p 1 ，对甲烷气体进行准确、快速的检测和预警是防止矿井瓦斯爆炸的有效手段1 枷。本世纪以来全球平均温度升高了0 5 。c ，如果温室气体按目前的速度增加，到2 0 3 0年，全球平均气温将再提高2 - - 3 。c ，灾害性天气的出现将更加频繁。甲烷吸收红外线的能力较强，空气中甲烷的浓度每年大约以1 的速度增长【- 9 1 ，其吸收截面比c 0 2 高出2 3倍，占据整个温室贡献量的1 5 ，被认为是一种主要的温室气体。因此，对空气中甲烷气体的浓度进行实时监测具有十分重要的意义。1 2 光纤气体传感器1 2 1 气体传感技术分类根据传感机理的不同，可将气体传感技术分为化学传感器法、气相色谱法和光谱吸收法u 们。所谓化学传感器法是通过物理化学反应来感应待测气体的成分，并转换为相应的电信号，通过信号的检测与处理确定待测气体的浓度1 。化学传感器法存在寿命短、稳定性较差、受环境影响较大等缺点陋12 1 。气相色谱法是色谱法的一种，色谱法中有两个相，一个相是流动相，另一个相是固定相。如果用液体作流动相，称为液相色谱，如果用气体作流动相，称为气相色谱。目前国内广泛应用现场取样、实验室气相色谱分析的方法来检测气体的浓度和成分，气相色谱法虽然检测灵敏度较高，但要求对污染气体进行人工采样和预处理，不利于实时监测气体的浓度。化学传感器法和气相色谱法必须对气体进行人工取样，在实验室进行分析，在哈尔滨工程大学博士学位论文整个测量过程中，操作者的操作技能对检测精度有很大的影响，并且只能对单一成分的气体进行检测分析，不能对多种气体同时进行分析处理，检测过程响应速度较慢，待测气体的浓度难以得到实时测量。光谱吸收法是通过检测气室的透射光强或反射光强的变化来测量气体的浓度，每种气体分子都有自己的吸收( 或辐射) 谱特征，光源发射谱只有与气体吸收谱重叠的部分产生吸收，光谱吸收后的输出光强将发生变化1 。在近红外波段，多种气体都有泛频和组合频的气体吸收线，且在光纤的低损耗窗口有理想的发光光源与光电检测器件，因此可利用光谱吸收法对大多数气体进行较高精度的浓度测量，并可对待测气体进行实时监测。1 2 2 光纤气体传感器的特点光纤气体传感器的研究源自光纤传感技术的发展，它是根据所有与气体的物理或化学特性相关的光学现象或特性来进行气体浓度检测的技术【1 0 1 。许多气体在中红外波段存在很强的本征吸收，在近红外波段有较弱的泛频和组合频吸收线讲，光纤的低损耗窗口为0 8 9 m 1 7 9 m ，在该波段有理想的发光器件和接收器件。光纤气体传感器可以用于环境监测、过程控制，尤其是在恶劣环境下的在线、连续监测方面发挥着重要作用，有着不可替代的优势。相对于其它类型的气体传感器，光纤气体传感器具有以下优点引：1 光纤传输信息的载体是光，光信号的载频高、频带宽，光纤气体传感器具有灵敏度高、精度高、分辨率高、动态范围大等特点；2 光纤具有传输损耗小、传输距离长的优点，不必考虑测量仪器和被测物体的相对位置。光纤化学性质稳定，具有线径细、柔软可绕、占据传输系统空间小的特点，光纤气体传感器体积小，重量轻，可与光纤遥测技术相配合实现远距离的测量与控制；3 光纤是绝缘体材料，抗高温、耐腐蚀，具有很强的抗电磁干扰能力，光纤气体传感器不受电磁干扰，能避免产生火花，适合于测量易燃易爆气体或工作于易燃环境以及强电磁干扰环境；4 光纤是一种无源器件，自身独立性好，不会对被测对象产生干扰，可在各种环境下使用；一5 光纤具有巨大的带宽，通信容量大，光纤气体传感器的传感单元结构简单，易于组成光纤传感网络。采用空分( s d m ) 、时分( t d m ) 以及波分( w d m ) 等多路复用技术，可以使多个光纤气体传感器共用同一光纤、同一光源和同一信号检测设备，降低整个系统单点测量的成本”引卅。1 2 3 光纤气体传感器的分类根据检测方法的不同来分类，光纤气体传感器有多种类型，表1 1 介绍了各种类型第1 章绪论光纤气体传感器的特点。表1 1 光纤气体传感器的类型t a b l e1 1t h et y p e so fo p t i c a lf i b e rg a ss e n s o r传感器类型优点缺点荧光型对被测物质的鉴别性好信号微弱，系统复杂，系统成本高染料指示剂型体积小、结构简单鉴别性差灵敏度高，能实现分布式传感渐逝场型表面污染问题严重及交叉分辨光可以消除光路干扰，系统灵敏差分吸收检测难以消除系统的固有噪声谱度高吸可以消除检测系统的固有噪要求光源的可调谐范围较宽，频率稳定度收谐波检测声，灵敏度高，稳定性较好高，光源驱动较复杂型大批量生产的镀膜技术和膜层污染问题没折射率变化型结构简单，成本低廉有好的解决方法光谱吸收式光纤气体传感器是激光光谱分析技术、光纤传感技术、微弱信号检测技术与现代信号处理技术相结合的产物，它将激光光谱分析技术从实验室气体分析应用到工业现场u 孙，具有灵敏度高、选择性好、响应时间快等优点。光谱吸收式光纤气体传感器具有简单的气室结构，易于组网，使用多路气室共用一套光源与光电探测器的复用技术可以降低单个测量点的造价。由于大多数气体在近红外波段都有泛频或组合频吸收线，系统只需要更换发射波长不同的发光光源对准另一气体吸收线，就可用于检测其它气体的浓度。因此，光谱吸收式光纤气体传感器具有广泛的应用前景，近年来被广泛应用于环境监测、大气科学、气体浓度检测和光谱测量等领域。光谱吸收式光纤气体传感器有两种基本的检测技术：差分吸收技术和调制光谱技术。差分吸收检测技术的工作原理。2 0 1 ：将光源发出的激光分成两路，一路通过装有被测气体的气室，作为检测信号；另一路通过不含被测气体的气室，作为参考信号。两路采用材质和型号相同的光电探测器，具有近似相同的温度特性和时漂特性，光源的不稳定以及光电器件的漂移对两路信号的影响相同，通过比较两路信号可以消除光源的不稳定以及光电器件漂移的影响。差分吸收检测技术虽然可以在理论上消除光路的干扰因素，但对系统的固有噪声却无能为力u3 1 。调制光谱技术可以有效地消除系统噪声和各种干扰，广泛应用于微弱信号的检测。调制光谱技术最早应用于工作在中外红区的铅盐激光器检测微量气体的浓度，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，在哈尔滨工程大学博士学位论文后续的数据采集处理过程中，以该调制频率或调制频率的倍频作为锁相放大器( l o c k i na m p l i f i e r ) 的参考输入频率，提取出含有浓度信息的谐波信号引。调制光谱技术通常分为两种：频率调制光谱技术( f m s ) 和波长调制光谱技术( w m s ) 。频率调制光谱技术所使用的调制频率与吸收线线宽相比拟，甚至大于吸收线线宽，达到几百m h z ，利用频率调制光谱技术可以显著提高系统的测量精度，但是频率调制光谱技术所使用的高频探测器等设备十分昂贵，同时频率调制光谱技术的调制幅度较小口1 。波长调制光谱技术所使用的调制频率远远小于吸收线线宽，一般在几k h z 到几十k h z ，相较于使用高频调制晶体以及高速响应探测器的频率调制光谱技术来说，系统使用的锁相放大器、低响应的探测器更具有实用性，而且调制幅度较大伫，在低浓度气体检测领域，波长调制光谱技术具有明显优势，本文对波长调制光谱技术进行深入的探讨和研究，并利用波长调制光谱技术进行气体浓度检测。1 3光谱吸收式光纤气体传感器的研究现状1 3 1 国外研究动态1 9 7 9 年，h i n a b a 和k c h a n 等人最早进行了光谱吸收式光纤气体传感方面的研究，他们通过调节激光器的输出波长，使激光器的两个输出波长相隔很近，但吸收系数相差很大，利用差分吸收检测的方法检测气体浓度口2 1 。1 9 8 3 年，他们利用1 3 3 1 m a 的i n g a a s pl e d 作为宽带光源，检测1 3 3 u a n 附近的甲烷v ：+ 2 v ，带q 支吸收线，系统吸收路径长度为5 0 c m ，传输光纤长度为2 k m ，系统的检测极限为2 0 0 0 p p m ，达到甲烷在大气中爆炸下限的4 酬。1 9 8 7 年，j p d a k i n 等人利用梳状滤波器和l e d 宽带光源设计了一套测量甲烷气体浓度的实验装置，系统的测量灵敏度可以达到2 5 0 0 p p m 口4 1 。1 9 8 8 年，a m o h e b a t i 和t a k i n g 在室温下采用波长差分吸收法测量甲烷气体的浓度，系统选用1 3 3 i - t m 的i n g a a s p 多模激光器，吸收路径长度为1 m ，传输光纤长度为2 5 k m ，系统的测量灵敏度可达2 0 0 0 p p m 仁。1 9 9 0 年，h t a i 和k y a m a m o t o 等在室温下采用波长调制的谐波检测方法检测甲烷气体的浓度，系统选用1 6 6 1 a m 单模分布反馈式半导体激光器( d f bl d ) ，系统最小可探测灵敏度可达2 0 p p m 瞄”。1 9 9 2 年，h t a i 等人采用波长调制的谐波检测技术，利用一个光纤传感系统同时测量甲烷和乙炔的浓度，系统选用波长分别在1 6 6 雌n 和1 5 3 1 a m 的两个d f bl d 光源，传输光纤长度为4 k m ，吸收路径长度为1 0 c m ，甲烷的最小可探测灵敏度为5 p p m ，乙炔的最小可探测灵敏度为3 p p m l 2 ”。19 9 3 年，v w e l d o n 等人利用一个1 6 4 9 m 可调谐d f b 激光器，通过对激光器精确的波长调制，利用吸收光谱同时测量c h 4 和c 0 2 的浓度口引。1 9 9 5 年v w e l d o n 等人应用第1 章绪论波长调制光谱和谐波检测技术，利用波长在1 5 7 p r o 的可调谐d f b 激光器作为光源来测量h 2 s 和c 0 2 气体的浓度，系统吸收路径长度为5 m ，在标准大气压下h 2 s 的检测极限达到1 0 p p m ，c 0 2 的检测极限达到1 0 0 p p m 口引。1 9 9 8 年，g s t e w a r t 等人应用一个d f b 激光器，利用空分复用技术实现了多点气体浓度的测量。他们应用波长扫描和数字信号处理技术使系统检测灵敏度达到p p m m 量级，同时指出限制系统信噪比的主要因素是来源于气室的标准具干涉噪3 0 1 。2 0 0 0 年，t n a k a y a 等人利用1 6 6 p r o 的d f b 激光器作为光源，系统吸收路径长度为1 0 m ，通过检n - 次谐波实现了大气中甲烷浓度的连续测量p ”。t a k a y ai s e k i 等人利用频率调制光谱技术设计了便携式甲烷远距离探测传感器，系统选用1 6 5 i - t mi n g a a s p 分布反馈式激光器作为光源，通过测量二次谐波信号检测泄露气体的浓度p 羽。同年，m i h az a v r 菩, n i k 利用g r i n 透镜组成开放式气室，基于f m c w 窄带宽吸收构建了分布式光纤气体传感复用系纠3 3 1 。2 0 0 3 年，s s c h i l t 等人利用傅里叶级数模型分析强度频率调制信号，针对2 0 0 4 n m处的c 0 2 吸收线进行实验，给出了气体浓度检测的总体结构p 4 1 。2 0 0 4 年，s s c h i l t 等人进一步研究了激光器强度调制与频率调制，给出了测量强度调制和频率调制之间相位差的实验方法引。2 0 0 7 年，k d u f f m 等人利用泰勒级数分解理论来分析气体吸收信号，给出了强度调制一频率调制模型下各次谐波信号的理论模型p 引。2 0 0 8 年，k d u f f m 等人对气体吸收信号做了进一步分析，考虑到强度调制和频率调制之间的相位差，应用相位分解技术，从理论上消除强度调制和频率调制之间的相位差对谐波信号幅值的影响p 丌。2 0 0 9 年，a n d r e a sk a r p f 等在室温下以可调外腔式量子级联激光器为光源，应用波长调制光谱技术检测低浓度n 0 2 气体的浓度，检测系统的灵敏度较高p 8 1 。2 0 11 年，l l a t h d a v o n g 等基于可调谐二极管激光吸收光谱技术，应用分布反馈式激光器检测高温、潮湿环境下一氧化碳气体的浓度p 卅。1 3 2 国内研究动态1 9 8 9 年，西安应用光学研究所的郭栓运对光纤气体传感器展开研究，在应用光学杂志上介绍了差分光谱吸收的基本原理，给出了实验框图和应用实例m 1 。1 9 9 2 年，中国矿业大学的王耀才等在光通信技术杂志上介绍了吸收型光纤瓦斯传感技术和干涉型光纤瓦斯传感器的原理，并对其在煤矿中的应用前景作了探讨h 。1 9 9 7 年，山东矿业学院的曹永茂等人针对光纤瓦斯传感器光波波长的选择展开讨论，提出根据传感器技术指标来确定光纤瓦斯传感器的基本参数，并建立了相应的数学模型h 2 1 。哈尔滨工程大学博士学位论文1 9 9 9 年，大连理工大学刘文琦等人报道了一种新型透射式光纤甲烷传感器，用1 3 1 9 mi n g a a s p 型l e d 作光源测量甲烷浓度，通过研究制备一种纳米级多孔透射膜，增强了甲烷气体对激光的光谱吸收一引。1 9 9 9 年，香港理工大学靳伟应用波长调制光谱技术对d f b 激光器进行调制，研究光纤气体传感器的时分多路复用( t d m ) 技术。靳伟建立了计算仿真模型，仿真结果表明由2 0 个甲烷气体传感器组成的光纤气体传感器阵列的检测灵敏度可以达到2 0 0 0 p p m 荆5 1 。之后靳伟博士与清华大学喻洪波合作，实现了连续波调频技术复用的光纤气体多点传感系统。州”。2 0 0 0 年，浙江大学叶险峰等在对c h 4 分子近红外吸收光谱分析比较的基础上，考虑与光纤的低损耗窗口相一致和价格等因素，采用价廉的1 3 “r n 波段的l e d 作为光源，实现了对甲烷气体的检测，检测灵敏度为1 3 0 0 p p m m 一叫。2 0 0 1 年，燕山大学王玉田等根据甲烷气体的吸收光谱，研究了一种利用价格低廉的l e d 作为光源的新型透射式光纤甲烷气体传感器，选择两个同型号的l e d 光源作为差分吸收信号，光源驱动器自动实行交替斩波p 0 1 。为了保证系统对甲烷气体检测的精度，采取了两项措施，一是设置了参考通道，二是采用了光源反馈通道以增强l e d 光源的稳定性阳1 。2 0 0 4 年，中国科学院安徽光学精密机械研究所的黄伟等根据近红外可调谐二极管激光吸收光谱( t d l a s ) 和波长调制光谱技术( w m s ) 的原理，设计了一套可调谐近红外二极管激光光谱仪，在实验室结合长程吸收池，对各种浓度的c 0 2 进行了测量，在吸收光程为1 7 0 0 m 时，可以探测压力为1 9 9 9 5 p a 的c 0 2 ，在此低压情况下，测量得到的二次谐波的信噪比仍然非常高b 2 。2 0 0 5 年，中国科学院安徽光机所的王敏等利用二极管激光器的波长扫描和电流调谐特性，实现了痕量气体吸收的二次谐波检测，研究了不同波长的扫描参数和在功率调制参数下的二次谐波曲线，分析了它们的波形特征和稳定性，寻找最佳的波长扫描参数和功率调制参到5 3 1 。同年，董风忠等采用可调谐二极管激光吸收光谱与多次反射池相结合，利用背景噪声扣除、积分平均等噪声抑制技术测量气体浓度，并测量了实验装置的极限灵敏度瞰1 。中国科学院电子学研究所的梁亮等利用数字信号处理芯片设计了数字锁相放大器，抑制模拟器件漂移及非线性的问题p ”。2 0 0 6 年，中国科学院安徽光机所的阚瑞峰等将可调谐二极管激光吸收光谱与多次反射池相结合，研制了用于地面环境空气中甲烷含量监测的便携式吸收光谱仪，并利用不同体积分数的甲烷气体对系统进行了测试，取得了很好的测试结果b 酬。王晓梅等分析了t d l a s 谐波信号的特征，建立了谐波信号的数学模型，利用较高浓度气体的二次谐波信号作为标准曲线，对待测气体的谐波信号进行线性回归p ”。2 0 0 7 年，燕山大学王艳菊等采用双光路、双波长来解决光源功率波动、光纤损耗等第l 苹绪论问题，在接收端采用旋转双色滤光器和单探测器消除了双光电器件的漂移对测量结果的影响诤8 1 。同年，中国科学院安徽光机所的陈玖英等应用自平衡检测方法，消除了激光器的共模噪声和其它同性干扰的影响，该方法不用加信号调制和锁相放大器，减小了系统装置的体积，易于集成为便携式痕量气体检测仪p w 。2 0 0 8 年，褚衍平等通过光纤光栅和压电陶瓷对宽带光源l e d 进行调制，获得了与气体吸收峰对应的窄带反射出射光，检测二次谐波实现气体浓度的高灵敏度测量，利用测量气室和参考气室的二次谐波的比值来消除吸收系数随环境的变化、光源光功率的波动和光路干扰对测量精度的影响唧1 。2 0 0 9 年，华南理工大学肖兵等基于自平衡激光接收器和数字锁定放大器构造了t d l a s 汽车尾气动态浓度测量系统，自平衡激光接收器通过引入一个低频反馈回路去维持吸收信号和参考信号的自动平衡，数字锁定放大器由d s p 芯片实现相关检测算法，提高了系统的测量灵敏度怕引。2 0 1 0 年，哈尔滨工程大学王琢等分析了目前光纤气体传感器常用的检测方法，总结了各类检测方法的优缺点，提出谐波峰平比法，基于谐波峰平比法研究了实用化的光纤气体传感器m 1 。2 0 1 1 年，南京航空航天大学齐洁等提出一种基于窄带扫描光源的光纤气体传感系统，该系统在多种气体共存环境下，对不同组分气体进行气体浓度检测陋5 1 。1 4 论文的主要研究内容及章节安排光谱吸收式光纤气体传感器多是基于可调谐二极管激光吸收光谱的，结合波长调制光谱技术与谐波检测技术，通过提取二次谐波和一次谐波的幅值信号进行气体浓度测量。目前，光谱吸收式光纤气体传感器存在的问题主要有以下几个方面：1 近红外区气体吸收线的线宽度很窄，当温度、电流波动时，激光器的输出波长很难保证严格地稳定在气体吸收线中心频率处，而在吸收线中心频率处一次谐波曲线的斜率很大，激光器的输出波长偏离气体吸收峰的中心波长会对二次谐波检测系统输出结果产生严重的影响。2 激光器强度调制存在非线性，对于采用波长调制光谱技术的二次谐波检测来说，当选用的调制系数较小时，由非线性强度调制引起的二次谐波背景信号可以忽略，当调制幅度较大时，由非线性强度调制引起的二次谐波背景信号叠加在气体吸收产生的二次谐波信号上，使得检测得到的二次谐波信号不能准确反应气体吸收的程度。3 对于采用波长调制光谱理论与谐波检测理论相结合的检测方案来说，激光在光学表面之间多次反射形成的标准具效应产生的光学干涉条纹是系统噪声的主要来源，相较于其它几种类型的噪声，激光在光学表面之间多次反射形成的光学干涉条纹较难抑制，严重影响到系统检测灵敏度的提高。哈尔滨工程大学博士学位论文4 光谱吸收式光纤气体传感器是通过测量特定波长光谱的吸收强度来检测气体的浓度，气体吸收线的谱线特性与温度有关，当气室内气体的温度发生变化时，待测气体吸收线的谱线特性会发生变化，进而影响到系统检测得到的谐波信号幅值，因此利用光谱吸收式光纤气体传感器检测气体浓度时，需要考虑气体吸收谱线的温度特性对检测系统的影响。本文在研究波长调制光谱理论与谐波检测理论的基础上，为了简化系统结构，抑制波长漂移和激光器非线性强度调制对检测系统的影响，研究基于一次谐波的检测方案来测量气体的浓度，并对激光在光路中多次反射产生的标准具效应展开研究，为标准具噪声的抑制提供理论依据。文中研究了温度变化对气体吸收线的线强度、谱线宽度、单位体积内的分子密度、气体的吸收系数以及气体浓度测量产生的影响，并采取措施减小气体温度变化带来的测量误差。最后基于一次谐波设计了一套光谱吸收式光纤气体浓度检测系统，对不同浓度的甲烷气体进行吸收实验，验证了方案的可行性。本文的章节安排如下：第2 章，分子光谱理论与吸收谱线选择。以分子光谱理论( 包括分子的转动与转动光谱、分子的振动与振动光谱和分子的转动振动光谱) 为基础，分析气体吸收线的谱线线型、谱线线宽与谱线展宽等气体检测相关理论。通过h i t r a n 数据库研究甲烷分子的吸收线，选定近红外区甲烷2 1 , 3 带r 3 支的三条吸收线作为研究对象，并确定了吸收线的谱线参数。第3 章，波长调制光谱理论。研究波长调制光谱与谐波检测理论，利用泰勒级数展开模型和傅里叶级数展开模型分析各次谐波信号。在频率调制信号的基础上，采用频率强度调制模型研究强度调制对谐波检测的影响。研究高斯线型和洛伦兹线型的各次谐波信号与波长调制系数的关系，确定各次谐波最佳的波长调制系数，并对激光在光路中多次反射形成的标准具效应展开研究，为标准具噪声的抑制提供理论依据。第4 章，谐波信号提取与检测方案。从锁相放大器的基本原理入手，研究正交数字锁相放大器算法，利用正交数字锁相放大器提取一次谐波和二次谐波幅值信号，抑制移相调节误差和模拟器件漂移对谐波幅值测量准确性的影响，提高系统检测的精度。研究激光器的线性强度调制和非线性强度调制对一次谐波和二次谐波信号的影响，讨论二次谐波检测方案的特点与不足，提出一次谐波检测方案，抑制光源波长漂移对系统检测精度的影响。第5 章，谱线温度特性与t d l a s 气体温度测量。研究温度变化对气体吸收线的线强度、谱线宽度、吸收系数以及气体浓度测量产生的影响。讨论温度自校正方案和温度校准函数方案的优缺点，利用温度校准方案减小气体温度变化带来的测量误差。在分析基于可调谐半导体激光吸收光谱的气体温度测量原第1 苹绪论理的基础上，根据h i t r a n 数据库，选择两条c 0 2 吸收线作为研究对象，提出基于一次谐波的t d l a s 气体温度测量方案，并讨论t d l a s 气体温度测量的准确性，研究利用可调谐半导体激光吸收光谱技术测量气体温度的可行性。第6 章，光谱吸收式光纤甲烷气体传感器设计。基于一次谐波检测方案构建了甲烷浓度检测系统，对系统中的激光器、光电检测器以及吸收气室等关键器件进行分析。在研究透射型气室与反射型气室的吸收信号和背景信号的基础上，设计5x1 0 c m 光程的透射型吸收气室，并确定一次谐波检测方案最佳的波长调制系数，将调制系数波动对检测系统的影响降到最低。在实验室中利用一次谐波检测系统测量甲烷气体的浓度，实验结果表明系统的输出数据和甲烷气体的浓度呈现很好的线性关系，系统的灵敏度、分辨率、重复性和稳定性等性能良好。最后对全文进行了总结，并对未来的研究进行了展望。哈尔滨工程大学博士学位论文第2 章分子光谱理论与吸收谱线选择分子光谱理论是光谱吸收式光纤气体传感器的理论基础，每一种气体分子的分子结构均不相同，分子的内部运动和分子之间的相互作用也不相同，气体分子都有其固定的吸收光谱，只有那些能量正好等于它的某两个能级能量之差的光子才能被吸收【1 0 6 嘶刀，通过检测特定波长激光的光谱吸收情况可以对气体进行定性和定量分析引。分子内部复杂的运动状态可分为三部分来描述：分子的电子运动状态和电子能级、分子的转动和转动能级以及分子的振动和振动能级6 9 1 。2 1 分子的转动与转动光谱按照原子数目的不同，分子可分为双原子分子和多原子分子，气体分子中除了少量单原子、双原子分子外，绝大部分都是多原子分子。研究多原子分子的转动时，略去转动与振动和电子运动的相互作用，选取通过分子质心的三个相互正交的方向，称这三个方向为主轴，对应的转动惯量为主转动惯量。根据转动惯量的不同情形，可把分子的转动分成四类：三个主转动惯量均不相等的称为不对称陀螺分子；有两个主转动惯量相等的称为对称陀螺分子；三个主转动惯量全相等的称为球形陀螺分子；如果对称陀螺旋转轴方向的转动惯量非常小，惯性椭球接近圆柱形，这类分子称为线性分子口0 1 。2 1 1线性分子按照对称程度，将线性分子分为中心对称和非中心对称两类。除极少数例外，基态中线性多原子分子的电子绕核间轴的角动量为零，分子纯转动能级为p ：生h = f ( ，) = 甜( ，+ 1 ) 一脚2 ( j + 1 ) 2(2-1)e式中：e 为转动能；办为普朗克常量；c 为光速；1 为转动项值；=o，1，2，为rf ( jj转动量子数；d = 4 8 3 0 ) 2 ，国为振动频率，召为转动常量，b 的表达式为：b ：- 冬( 2 2 )8 7 c 2 c 厶式中：j 。为转动惯量。分子纯转动能级公式( 2 一1 ) 中的叫2 ( j + 1 ) 2 来源于分子的非