（通信与信息系统专业论文）光纤气体传感器的研究.pdf

武汉理下大学硕士学位论文 中文摘要 大型动力工厂和矿业部门排放出大量的易燃、易爆、有毒、有害气体，使人类的生存 环境和人身安全受到严重威胁，对这些气体进行快速、实时检测对于工矿安全生产及环境 保护有特别重要的意义，而对某些有毒气体，要求能检测到很低的浓度。传统的气体传感 器大多数通过其探头的电阻或电容变化来测定气体浓度，其灵敏度低，抗干扰能力差。人 们对发展快速、灵敏而有效的气体检测手段的需求十分迫切。由于光纤气体传感器具有本 质安全、抗电磁干扰、灵敏度高、动态范围大、响应速度快，测量精度高，可远离现场检 测等优点，近年来受到国内外广泛的重视。 本文研究是基于光谱吸收方法的光纤气体检测系统。在近红外波段，每种气体分子有 固有的吸收光谱，当光源的中心波长精确对准被测气体的吸收峰时，光通过气体时就会被 吸收，其吸收强度与该气体浓度有关，通过对输出光强分析就可以检测到气体的浓度。以 甲烷和乙炔为目标气体，确定了气体的吸收谱线，找出适合普通石英光纤进行较长距离低 损耗传输的光谱特性。采用分布反馈式半导体激光器( d f bl d ) 作为光源，通过光源调制实 现气体浓度的谐波检测，利用二次谐波与一次谐波的比值来消除由光源的不稳定等因素所 引起的检测误差，通过光强的差分吸收来检测也可以减小光强的影响。 本论文的研究内容主要有： 光谱吸收式光纤气体传感器检测原理的研究，重点分析了正弦波调制和三角波调 制的谐波检测方法，并比较了这两种调制方法，从理论和实验中证明了三角波调 制检测效果好。 基于d f bl d 光源的光纤气体传感器的实验室研究系统的构建，采用高速数据采 集卡组成了一套实验用光纤气体传感器系统，进行电路调试，设计了专用的解调 软件g a s s e n s o r ，实现了分析数据和采集波形的可视化输出，方便了研究和测试。 对光强差分吸收检测方法进行了理论研究，选择d f bl d 作为光源，设计了有参 考光路的系统并进行了初步的实验研究。 以甲烷和乙炔气体为例，用所编制的解调软件进行实验研究，初步得到气体的浓 度检测曲线，验证了检测方法。 d f bl d 光源的外壳温度和内核温度的控制非常重要，这直接影响光源的输出中 心波长，改进了温控模块，进行了系统的温控试验。 关键词：光纤气体传感器：光谱吸收；谐波检测 茎翌里三查堂堡主堂堡丝苎 l a r g e - s c a l ep o w e rf a c t o r i e sa n dm i n ee x h a u s tag r e a td e a l o ff l a m m a b l e ，e x p l o s i v ea n d p o i s o n o u sg a si n t ot h ea i r , h u m a n sl i v i n ge n v i r o n m e n ta n ds a f e t ya r es e r i o u s l ym e n a c e d ，s o r a p i da n dr e a l t i m ed e t e c t i o no ft h eg a si sv e r yi m p o r t a n tf o rs e c u r ep r o d u c t i o no fm i n ea n d e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，e s p e c i a l l yl o wc o n c e n t r a t i o no ft h ep o i s o n o u sg a ss h o u l db ed e t e c t e d c o n v e n t i o n a lg a ss e n s o r sw o r kb yt h es e n s eo r g a n sr e s i s t a n c ea n dc a p a c i t a n c e sc h a n g e ，s o t h e i rs e n s i t i v i t yi sl a wa n da n t i - j a m m i n ga b i l i t yi sb a d r a p i d ，s e n s i t i v ea n de f f e c t i v eg a s c o n c e n t r a t i o nd e t e c t i o nm e t h o d sa r eu r g e n t r e c e n t l y , o p t i c a lf i b e rg a ss e n s o r sa r ef o c u s e do na l l o v e rt h ew o r l d ，f o rt h e ya r ei n h e r e n t l ys e c u r e ，a n t i e l e c t r o n a g n e t i c ，s e n s i t i v e ，h a v el a r g e d y n a m i cr a n g e ，r e s p o n dr a p i d l y , m e a s u r ep r e c i s e l ya n dr e m o t e l y i nt h i sp a p e r , a no p t i c a lf i b e rg a sm e a s u r e m e n ts y s t e mi ss e tu pb a s e do ns p e c t r u m a b s o r p t i o nm e t h o d e a c hk i n do fg a sh a sa b s o r p t i v en e a r - i n f r a r e ds p e c t r a ，i fal i g h ts o u r c e s c e n t e rw a v e l e n g t hi sl o c k e do nt h eg a s sa b s o r p t i v es p e c t r u mp e a k ，t h e na b s o r p t i o nw i l lh a p p e n ， t h eo u t p u tl i g h ti n t e n s i t yd e c r e m e n ti sr e l a t e dt ot h eg a s sc o n c e n t r a t i o n ，s ow ea n a l y z et h e o u t p u tl i g h t ，w ew i l lk n o wt h ec o n c e n t r a t i o n t h ea b s o r p t i o ns p e c t r ao fm e t h a n ea n de t h y n ea r e c o n f i r m e da n dt h es p e c t r ac h a r a c t e r i s t i c sw h i c hi sf i tf o rl o w l o s st r a n s m i s s i o nw i n d o wo f o p t i c a lf i b e ri sa l s od i s c u s s e d d i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e rd i o d ef d f bl d ) i su s e da sal i g h t s o u r c ea n dl i g h ts o u r c em o d u l a t i o nh a r m o n i cm e a s u r e m e n ti sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h er a t i o o ft h ef u n d a m e n t a la n ds e c o n dh a r m o n i cs i g n a lc a nb eu s e da so u t p u tf o re l i m i n a t i n gt h e i n t e r f e r e n c eo w i n gt ol i g h tp o w e rc h a n g i n g ；t h ed i f f e r e n c ea b s o r p t i o nm e t h o dc a na l s ob eu s e d t h ed e t a i l e dr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： s t u d yo ns p e c t r u ma b s o r p t i o nm e a s u r e m e n tp r i n c i p l eo fo p t i c a lf i b e rg a ss e n s o r , e s p e c i a l l ya n a l y z es i n ew a v ea n dt r i a n g l ew a v em o d u l a t i o nh a r m o n i cm e a s u r e m e n ta n d c o m p a r et h e m ，t h e nt h e o r ya n de x p e r i m e n ts h o wt h a tt r i a n g l ew a v em o d u l a t i o ni s b e t t e r b u i l du pl a br e s e a r c hs y s t e mo fo p t i c a lf i b e rg a ss e n s o ru s i n gd f bl da sl i g h ts o u r c e a n dh i g hs p e e dd a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，d e b u gt h ec i r c u i t ，d e s i g ns p e c i a ld e m o d u l a t i o n s o f t w a r eg a s s e n s o rw h i c ho u t p u td i r e c t l yd a t aa n dw a v e ，a l s om a k er e s e a r c ha n dt e s t e x p e r i m e n tc o n v e n i e n t l y s t u d y o nt h ed i f f e r e n c ea b s o r p t i o nm e t h o da n dd e s i g nas y s t e mw i t hr e f e r e n c ec i r c u i t d os o m ep r i m a r ye x p e r i m e n t s u s i n gm e t h a n ea n de t h y n ea ss a m p l e d os o m ee x p e r i m e n t sw i t hg a s s e n s o r , g e tt h e i r t t 望墨! 坚奎兰堡主堂堡堡塞 c o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n tc h i v e s ，a n dv a l i d a t et h e s y s t e m i m p r o v eo nc o n t r o l l i n gt h el i g h ts o u r c e sw o r k i n gt e m p e r a t u r ea n dd ot h es y s t e m s t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n ge x p e r i m e n t s ，b e c a u s et h ec h a n g i n go fd f bl ds u l f a c ea i l d k c m e lt e m p e r a t u r ew i l la f f e c td i r e c t l yt h e “g h ts o u r c e ，sc e t e fw a v e l e n 掣h k e y w o r d s ：o p t i c a lf i b e rg a ss e n s o ns p e c t r u ma b s o r p t i o n ，h a r m o n i cm e a s u r e m e n t i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 引言 第1 章绪论 自1 9 7 0 年美国康宁( c u n n i n g ) 玻璃公司拉制出第一根低传输损耗( 2 0d b k m ) 光纤以 ，光纤技术产生了从理论探讨到实际应用的飞跃。由于光纤的一系列独到的优越性，光 f 技术以迅猛的速度全方位登上了现代高科技的舞台。 光纤传感器是2 0 世纪7 0 年代中期发展起来的一种新型传感器。它是光纤和光通信技 r 迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质的区别。光纤传感器用光而不用电来 为敏感信息的载体；用光纤而不用导线来作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有 乜纤和光学测量的一些特点忡1 。 电绝缘。因为光纤本身是电绝缘的，敏感元件也可用电绝缘材料制作，因此光纤 传感器具有良好的电绝缘性能，特别适用于高压供电系统及大容量电机的调试。 抗电磁场干扰。这是光纤测量及光纤传感器的极其独特的性能特征，因此光纤传 感器特别适用于高压大电流、强磁场噪声、强辐射等恶劣环境中，能解决许多传 统传感器无法解决的问题。 非侵入性。由于传感头可做成电绝缘的，而且其体积可以做得很小( 最小可做成 稍大于光纤的芯径) ，因此，它不仅对电磁场是非侵入式的，故对被测场不产生 干扰。这对于弱电磁场及小管道内流速、流量等的监测特别具有实用价值。 高灵敏度。高灵敏度是光学测量的优点之一。利用光作为信息载体的光纤传感器 的灵敏度很高，它是某些精密测量和控制的必不可少的工具。 重量轻，体积小，外形可变。重量轻、体积小是光纤本身固有的特性，而光纤柔 软可绕的特性，则可用它构成外形各异尺寸不同的传感探头。 动态范围大：光纤传感器的载体是光，其频率高，传感器频带范围很宽，动态范 围很大。 测量对象广范：可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、气体浓度 等多种物理量和化学量。 容易实现对被测信号的远距离监控。由于光纤的传输损耗很小( 目前石英玻璃系 光纤的最小光损耗，可低达0 1 6 d b k m ) ，因此光纤传感器技术与遥测技术相结合， 很容易实现对被测场的远距离监控。这对于工业生产过程的自动控制以及对核幅 射、易燃、易爆气体和大气污染等进行监测尤为重要。 正是由于光纤传感器具有诸多优点，可以解决许多传统传感器无法解决的问题，所以 发广泛应用于医疗、交通、电力、机械、石油化工、民用建筑以及航空航天等各个领域。 武汉理工大学硕士学位论文 随着信息高速公路热潮的到来，光纤传感技术将走进千家万户，深入到民用和军事的各个 方面，目前，已研发出测量位移、速度、加速度、压力、温度、流量、电场、磁场、气体 浓度等各种物理量的数百种光纤传感器。 1 2 气体浓度检测 气体浓度检测方法有很多种，主要是电化学法、光学法、电气法、气相色谱法等。电 化学法利用电化学方法，使用电极与电解液对气体进行检测；光学法利用气体的光折射率 或光谱吸收等特性检测气体；电气法利用气敏器件检测气体，主要用半导体气敏器件，适 合于自动、连续过程检测，目前应用广泛；气相色谱法利用吸附剂使气体组分按吸附能力 的强弱层析在吸附剂( 色谱柱) 上，也是气体分析比较普遍的一种方法，是一种物理分离分 析技术。 经过几十年不断的研究，载体催化元件逐步成熟并占据了矿井瓦斯和多种可燃可爆气 体检测领域的首位。当前国内生产的瓦斯测量仪、报警仪、断电仪和遥测仪有近2 0 种， 混合可燃气体测量仪，高能燃料报警器和家庭煤气报警器等至少有4 个品种的产品，然 而现场并不满足目前元件的性能指标，迫切需要提供更好的元件，其中特别要求进一步提 高元件的长期稳定性和延长使用寿命。另一发展方向是研究抗毒能力强的元件。 8 0 年代初，美、英、俄、波等国先后完成了从传统的光干涉型气体传感器向热催化 式气体传感器的过渡，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，但由于传感器的敏感元件的检测原理和元件的结构等等多种原因，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特点。 基于物质对红外辐射选择性吸收的原理，目前国内外用于精确测定和标定气体浓度的 分析仪基本上采用红外技术，随着气体红外光谱技术在各行各业日益广泛的应用，用于矿 井下的红外光谱气体分析仪已在美国、法国等国研制成功，光纤气体传感器代表了气体传 感技术的一个重要的发展方向。 1 3 光纤气体传感器【5 1 】 光纤气体传感技术是光纤传感技术的一个重要的应用分支。光纤传感器可从传感机 制、信号调制方式及被测对象等不同角度分类。 根据传感机制的不同，光纤气体传感器也可以被分为功能型( 传感型、内作用型) 和 非功能型( 传光型、外作用型) 。功能型f f ( f u n c t i o n a lf i b e r ) 光纤传感器是利用光纤本 身的特性把光纤作为敏感元件，将传和感合为一体的传感器。在这类传感器中，光纤不仅 起传光的作用，而且还利用光纤在外界因素作用下，其光学特性( 如光强、相位、偏振态 等) 来实现传和感的功能；非功能型n f f ( n o n f u n c t i o n a lf i b e r ) 光纤传感器是利用其它 2 武汉理工大学硕士学仃论文 敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信 号。 从光信号调制方式角度分类，主要有光强调制型、偏振调制型和相位调制型。其中光 强调制型在一般上程测量中因结构简单、测量范围大而应用在精度要求不太高的场合较 多：而在对测量精度要求较高的场所则采用偏振和相位调制型。 近年来，它在环境监测、电力系统咀及油田、帝井、辐射区的安全保护等方面的应用 受到广泛重视。在强电磁干扰环境中对易燃易爆气体的监测更能显示其优越性。 1 4 光谱吸收型光纤气体传感器的研究现状【1 5 1 许多工业和环境气体如甲烷( c i - h ) 、丙烷( c 3 i - i s ) 、乙炔( c 2 h 2 ) 、二氧化碳( c o z ) 、 氮气( c h 3 ) 等在石英光纤的透射窗口( 8 0 0 1 7 0 0 n m ) 内都有i 吸收谱线，所以在吸收型光 纤气体传感器中，一般利用气体在石英光纤透射窗口内的较弱的泛频吸收线，尽管这类泛 频谐波谱的吸收远小于本征吸收，但由于光纤对这些波长的衰减极低，只要探测系统的灵 敏度相当高，就可以得到很好的检测结果。 国外发达国家对吸收式光纤气体传感技术的研究起步较早，进行了大量研究。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 和 i c c h a n 等人，他们在光纤透射窗口波段范围内作了一些气体传感的基本研究，在1 9 7 9 年 提出利用长距离光纤进行大气污染检测，在1 9 8 1 年报道了光纤二氧化氮气体的检测实验， 1 9 8 3 年用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 r i m 附近的q 线进行 检测。1 9 8 7 年j p d a k i n 和c a w a d e 等人报道了+ 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。随着分布反馈式半导体激光器( d f bl d ) 研制成功，光纤气体 传感器精度又有了提高。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 0 n m 单模分布反馈式 ( d f bl o ) 半导体激光器，采用了波长( 频率) 调制的谐波检澳4 方法，室温f 检测甲烷气体浓 度，晟小可探测灵敏度可达2 0 p p m 。1 9 9 2 年h t a i 给出了采用两个d f bl d 光源组成一个 复合光源，在同一个光纤传感系统中同时测量甲烷和乙炔的实验系统。但是单个d f bl d 激光器就要上万元，随后的研究都是围绕如何降低成本这个问题，一种方法就是利用光纤 的巨大带宽和易于成嗣的特性进行多点光纤气体传感，采用合适的光纤复用技术，使得多 个光纤气体探头共用一个激光光源或者同一套信号处理设备，可以降低成本。1 9 9 8 年， 英国s t r a t h c l y d e 大学的g s t e w a r t 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，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。2 0 0 0 年，m i h az a v r s n i k 报道了基于相干复用的串联的光纤气体传感复用系统，这可以说是目前多点光纤气体传感 网络的鹾简单结构，但是由于串联系统本身固有结构的限制，这个系统的各传感单元问串 扰复杂，测量数日以及测量灵敏度都不是特别高。 国内吸收型光纤气体传感方面的研究起步较晚，始丁8 0 年代末，研究还只是局限于 1 武汉理丁大学硕士学佗论文 实验室，由于成本和工艺等，它的发展还存在许多不足：其一是气体检测种类有限，原因 是光源波长的覆盖范围有限，要突破检测气体种类的局限还有待于新型廉价光源及低损光 纤的开发；其二是光纤气体传感器的完全实用化，要做到这一点， 是要开发廉价、具有 竞争力、实用的传感装置，采用新型的现代光学器件使结构紧凑、性能稳定、灵敏度高， 二是研究开发微弱信号检测技术，保证信号检测电路实用廉价，三是采用计算机技术实现 智能化，探索在单根光纤或少数几根光纤上实现多参数同时检测，制成小型多功能光纤 枪测仪器。但是发展很快，并且已经形成了一定规模，实用化指日可待。 1 5 课题研究的意义和应用前景 对于甲烷、硫化氢等气体的检测在煤矿安全、环境监测、工业控制等领域都非常重要， 人们对发展快速、灵敏和有效的气体检测手段的需求十分迫切。传统用于检测气体的气体 传感器大多数通过其探头的电阻或电容变化来测定气体浓度，其灵敏度低，抗二r 扰能力差。 在工业生产自动控制中则主要采用气相色谱仪与计算机联用来检测气体，由于现场环境恶 劣，其检测效果普遍不好，而且该设备十分昂贵，增加了生产的成本。由于光纤传感器具 有体积小，抗干扰能力强，测量精度高，可远离现场检测等优点，因此能可靠用于工业现 场条件的光纤气体传感器日益得到人们的重视。 进k 9 0 年代，随着科学技术的发展，人们生活水平的提高，对气体传感器的要求也不 断提高。在煤矿、钢铁厂、化工一等场合，都需要检测气体的浓度，对于某些有毒气体， 要求能检测到很低的浓度。由于光纤气体传感器具有本质安全、抗电磁干扰、灵敏度高、 动态范围大、响应速度快等特点，因此，光纤气体传感器的研究和发展前景广阔，对于社 会和现代经济的发展具有十分重要的意义。它的应用也将会越来越广泛，其产生的社会价 值也是无法估量的。 光纤气体传感技术今后的研究方向应该是实用化技术的研究和高精度枪测技术的研 究。如果能够开发出工业现场条件下可靠工作的气体传感单元，降低可调谐光源的成本， 增大光源的可调谐范围，发展可靠的复用技术，光纤气体传感技术的实用化必将开辟出一 个巨大的光纤气体传感市场。 本论文的研究目标：分析光谱吸收型光纤气体传感器的原理、特性及工作特点，设计 出基于l d 光源的光纤气体传感器的硬件系统和软件系统，对提出的信号处理方法进行实 验验证，确定最佳的信号处理方法来测量气体的浓度，要求传感器具有检测精度高、响应 速度快、稳定性和可重复性好等特点。 1 6 课题的来源及主要研究内容 奉课题来源于湖北省重大攻关项目( 2 0 0 1 a a l 0 1 a 0 2 ) 。论文研究内容是该项目的一 4 武汉理工大学硕士学位论文 祁分，即光纤气敏传感器的研究。 本论文的研究内容为： 光谱吸收式光纤气体传感器的检测原理的研究，重点分析了正弦波驱动和三角波 驱动的谐波检测方法，并比较了这两种驱动的优点，从理论和实验中证明了三角 波驱动检测效果好。 对光强吸收检测方法进行理论研究，选择d f bl d 作为光源，设计了有参考光路 的系统并进行初步的实验研究。 基于d f bl d 光纤气体传感器的系统构建，电路调试以及信号处理。以甲烷和乙 炔气体为例，进行实验研究初步得到气体的浓度检测曲线，验证检测方法。 基于d f bl d 光纤气体传感器的解调软件的编制和调试，进行数据处理和显示。 用所编制的解调软件进行实验验证和传感器的特性分析。 基于d f bl d 光纤气体传感器的温度试验，得到温度特性。 武汉理= 大学硕士学位论文 第2 章光谱吸收型光纤气体传感器的检测原理 2 1 气体近红外光谱吸收 5 2 1 每一种气体分子都有固有的吸收光谱，一些常见气体在石英光纤的低损耗窗口内的吸 收峰见表2 - 1 所示。从表2 - 1 可以看出，c 0 2 、c t h 、h 2 0 、c o 、c 2 h 2 、h 2 s 、n h 3 等气 体都在近红外波段存在吸收峰。 表2 1 一些气体在近红外波段的吸收峰 l 气体种类气体吸收峰( 近红外波段)可能的污染来源 氧气0 20 7 6 1 p m 二氧化碳c 0 21 5 7 3 # m发动机废气发电厂废气 甲烷c h 。 1 6 6 5 u m 煤矿煤层气体 水蒸气h 2 0 1 3 6 5 a m 二氧化氮n 0 20 8 0 a m 工业废气 一氧化碳c o 1 5 6 7 ：m l 发动机废气。发电厂废气 乙炔c ：h 21 5 3 0 u m发动机废气，可燃易爆气体 硫化氢h 2 s 1 5 7 8 m n 工业废气 氨气n 1 5 4 4 # m 工业废气 当光源的发射波长与气体的吸收波长相吻合时，就会发生共振吸收，其吸收强度与该 气体的浓度有关，通过测量光的吸收强度就可测量气体的浓度。当一束光强为如的输入平 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线，则光通过气体时发 生衰减。根据比尔一朗伯特( b e e r - l a m b e r t ) 定律，出射光强，( f ) 与入射光强而和气体的 体积分数之间的关系为： ，( f ) = ，oe x p - a ，c l 】( 2 - 1 ) 式中，口。为气体吸收系数，即气体在一定频率v 处的吸收线型：l 为吸收路径的长度； c 为气体的浓度；，( f ) 和i o 的单位是坎德拉。对( 2 1 ) 式进行变换可得( 2 2 ) 式 c ；l n ( i ( t ) l o ) a p 弘 ( 2 2 ) 从式( 2 2 ) 可知，如果工、n o ) 己知，那么通过检测j p ) 、l o 就可以得到气体的体积分数c 。 因为乙炔气体的吸收最明显，我们以乙炔气体为例，先来看看乙炔气体的吸收谱，光 垫坚里三叁兰堡主主焦笙苎 源为l e d 光源，其中心波长为1 5 5 0 n m ，l e d 的光谱覆盖了乙炔气体的多个吸收谱线，图 2 - 1 为纯乙炔气体在近红外波段的吸收谱线，光通过气体后发生了多谱线吸收。当气体浓 度很小时，气体的吸收峰也很小，如图2 - 2 ，输出光强的变化也很小，根本无法检测出来， 测量精度很低。 秽嘛 _ - 。_ 。 圳 y 州 1 ，一 虬 。 甄 1 1 1r _-_ _ 1 4 r a f li i o n ：d b l1 5 3 2 5 0 h m8 5 0 n m d1 5 7 5 n m 图2 - 1 纯乙炔气体在近红外波段的吸收谱线 w 帅叩 ，州峨崎伊 - - 一p 刚 ? ，。， 1 5 0 4 2 5 n m1 5 2 9 2 5 n m 5 阳n r r v d1 5 5 4 2 5 r i m 图2 - 2 乙炔气体浓度较小时的吸收谱线 7 武汉理工大学硕士学位论文 而现实中，往往需要精确测量小浓度，所以直接利用上述原理实现的光纤气体传感器 检测效果较差，灵敏度不高，光源不稳定以及光电器件的温漂和时漂的影响较大，将引起 较大的测量误差。因此要想投入实际应用，更精确的检测气体浓度，必须采取相应措施克 服这些问题。下面讨论的差分吸收法和谐波检测技术可在一定程度上消除这些影响。 2 2 气体浓度谐波检测原理 谐波检测( h a r m o n i cd e t e c t i o n ) 的理论基础是傅立叶变换理论，是- - i 实验技术。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，z e e m a n 及s t a r k 光 谱以及声光光谱的研究中，它被广泛地应用于微弱信号检测。它的基本原理是通过频率调 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频作为参考信号。 如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 1 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。 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计算相当吻合的 结果。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。 2 2 1 正弦波调制原理分析【4 5 】 如果光源谱分布带宽远远小于气体吸收线带宽，通过对d f bl d 光源的注入电流进行 正弦调制，光源频率和输出光强也将受到相应的调制。 v 皇v o + v 。s i n ( o 西) ( 2 - 3 ) ，0 0 ) 一1 0 ( 1 + ，7 s i n ( t a t ) ) ( 2 - 4 ) 其中v 表示光源经调制的频率，表示光源未经调制时的中心频率，p 。表示频率调制 幅度，j 。o ) 代表光源调制后的光强，。代表光源未经调制时的光强，r i 代表光强调制系 数，m 一2 巧，是电流调制频率a 将式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 代入式( 2 1 ) ，则得到： 1 ( 0 - i o ( 1 + 叩s i n ( t o t ) ) e x p - a 。c l 】 ( 2 5 ) 在近红外波段，气体的吸收系数很小，满足口。c lc c1 ，光强的调制幅度也很小，即 玎c t l ，这样就可以用近似公式 e x p 一口。c l 】= 1 一o t ，c l ( 2 6 ) 武汉理t = 大学硕士学位论文 把( 2 6 ) 代入( 2 - 5 ) 得到： ，o ) = i o ( 1 + 叼s i n ( n t ) ) ( 1 一a ，c l ) 忽略高阶项，o4 叩s i n ( o 霹) 4 口。c l 就可以得到 o ) = ，o ( 1 + ，s i n ( o ) t ) 一n 。c l ) ( 2 7 ) 气体压力接近一个标准大气压时，红外光谱的碰撞加宽起主要作用。因此气体分子的 吸收线型可以用l o r e n t z 曲线描述 a 。；l 一 1 + ( 丁1 2 - - v g ) 2 ( 2 8 ) a 。表示纯气体在吸收线中心的吸收系数，v 。和6 ，分别为对应吸收峰的中心频率和吸 收线半宽，把( 2 _ 8 ) ，( 2 3 ) 代入( 2 - 7 ) 中得到： j(f)j，。(1+叩sin(埘)一i：_；!：!：aocl) ( 2 9 ) 当光源输出中心波长被精确的锁定在气体吸收峰上时，。k ，令x - 等，则 m l ，o ( 1 + r s i n ( 妒焉) ( 2 - 1 0 ) 用m a t h e m a t i c a 将( 2 - 1 0 ) 展开为傅立叶级数序列，得到输出光强的一次谐波和二次 谐波的傅立叶系数分别为： i ，= 矿o( 2 1 1 ) ，2 ，= k a o c l i o ( 2 - 1 2 ) 式但一1 2 ) 5 b ，k 是x 的函数 i ；堡辱掣 ( 2 - 1 3 ) 工2 、14 - x 。 、 x 可以被i , q 节到二次谐波的最大值，当二次谐波取得最大值时，d k d x = 0 ，而x 。2 2 ， 这种条件下，七= o 3 4 3 ，此时二次谐波最大，a 丁o = 。( 粤是输出光强零次谐波傅立叶级 数) ， ，= 叩，。，2 ，= o 3 4 3c l a 。厶，尺2 1 ：拿：o 3 4 3 l c t 。c ， o f r 寺= 半- o s 。3 c l 即 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 2 三角波调制原理分析 如果我们用三角波调制代替正弦波调制，我们假定这个三角波调制函数如下： t r i a n g l e ( t ) 一 一丝f 一2 一三g fs 一旦 石。口2刃 2 c o石 f 一s ts 石。2 t o2 0 j 一丝f + 2 旦s fs 兰 玎。2 0 0 ( 2 1 4 ) 如果光源谱分布带宽远远小于气体吸收线带宽，通过对光源的注入电流进行三角波调 制，光源频率和输出光强也将受到相应的调制，则得到： v = v o + t r i a n g l e ( t ) ，。o ) z1 0 ( 1 + r l t r i a n g l e ( t ) ) ( 2 1 5 ) ( 2 16 ) 在近红外波段，气体的吸收系数很小，满足口。c lc c1 ，光强的调制幅度也很小，即 ，7c c1 ，当光源输出中心波长被精确的锁定在气体吸收峰上时，同正弦波驱动原理分析一 样，可以得到 ，( t ) - i o ( 1 + 彻憎k o ) 一鬲丽a o c 磊l 丽) 把式( 2 1 4 ) 代入式( 2 1 7 ) ，把式( 2 1 7 ) 写成分段函数： r c t ) ； 一掣一砸a o c l 卜一丢 + 了2 r l t m 一琴a o c l ) - 扣去 吲2 一争i a o c l 12 ( 2 写，挚s 三 玎 + x一兰竺、2 z m ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 同样的道理，用m a t h e m a t i c a 将( 2 1 8 ) 展开为傅立叶级数序列，得到输出光强的一 次谐波和二次谐波的傅立叶系数分别为： i s20 8 1 1 n i o ，2 ，k a o c l i o 其中k 是x 的函数，表2 2 为x 和k 的关系： 表2 - 2x 和k 的关系 x 22 53 45 6 k0 3 7 0 60 3 8 8 703 9 0 3 0 3 7 1 60 3 4 4 0 0 3 1 6 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 x 2 6 2 7 2 7 5 2 8 02 8 52 9 七 o 3 9 0 00 3 9 0 80 3 9 0 9 6 8 0 3 9 1 0 3 40 3 9 0 9 90 3 9 0 8 4 x 2 7 8 2 7 92 ，8 02 8 l2 8 2 七 0 3 9 1 0 2 20 3 9 1 0 3 00 3 9 1 0 3 40 3 9 1 0 3 4 0 3 9 1 0 3 0 由表2 - 2 可以看出，当x = 2 8 时，k 最大为0 3 9 1 0 ，此时二次谐波最大， 詈= ，。( 1 一o 4 4 c l 口。) ( 詈是输出光强零次谐波傅立叶级数) ，2 0 8 1 ，i 。， ，2 ，m 3 9 1 。c l 叫。心。= f 1 2 = 。4 8 等c ， r 2 0 = 百l i ：之里坠地3 9 c l a 。( c 侧、蛾m j 一_ u n 、l1 r ，j ，o i o ( 1 0 4 4 c l a o ) 1 一o 4 4 c l a o ” 2 2 3 两种调制的性能比较 从上面的分析我们可以看出，检澳f j - - 次谐波可以获得气体浓度信息，一次谐波分量主 要由强度调制引起，其幅度正比于光源的平均功率和气体浓度没有关系。二次谐波分量和 一次谐波分量的比值r ：，二次谐波分量和零次谐波分量的比值r 。都不含有，。项，用这两 个比值作为系统的输出可以消除光强波动带来的影响，而且这两个值在c 很小时都与气体 浓度成正比。 为了达到一定的灵敏度，k 应该最大。在c ，l ，口。一定的情况下，x 可以被调节到 二次谐波的最大值，也就是k 的最大值，此时我们来比较一下正弦波调制和三角波调制的 在k 最大时的性能： 表2 - 3 正弦波和三角波调制的性能比较 k 最大值 l f l2 f 尺2 l r 2 0 正弦波0 3 4 3 叩，oo 3 4 3 c l a o i o o 3 4 3 兰鱼c o 3 4 3 c l a o r l 三角波 0 3 9 1 0 8 1 彬o0 3 9 1 c l a o i o 0 4 8 l a oc o 3 9 c l a o 叩 1 0 4 4 c l a o 由表2 - 3 我们可以看出在相同的条件下，三角波驱动时t 最大值、i ：，、r ：，、r ：。都 要比正弦波驱动时大，三角波驱动性能优于正弦波，因此在本实验中我们采用了三角波驱 动。这一点在实验中也得到了验证。 1 1 武汉理上大学硕士学位论文 2 3 差分吸收检测原理 4 】 利用比尔一朗伯特定律设计的直接吸收型光纤气体传感器，由于只检测气体吸收谱线 的光强，故探测的信号光强容易受光源波动，光纤接头不稳定以及电路放大系统等因素的 干扰，使得检测效果不理想，误差较大，直接影响到测量准确度，而采用差分吸收法可以 有效的消除上述影响f 3 0 ，3 1 1 。 差分吸收法的工作原理是：光源发出的光束被分成两路，一路带有被测气体吸收后的 信息，称信号信息；另一路带有未经被测气体吸收的信息，称参考信息。两路选择同型号 同参数的器件，则光源的不稳定以及光电器件的时漂、温漂对两路信息的影响相同，故信 号信息与参考信息的比值将只是气体浓度的函数，从而消除了光源的不稳定以及光电器件 零漂的影响。 光纤气体传感器中，差分吸收法可采用单波长双光路法来实现，也可以采用双波长单 光路法来实现。 2 3 1 单波长双光路法 图2 3 单波长双光路差分吸收法 光源采用中心波长在气体吸收峰处的单波长光源，发出的光经分光器分成两路，一路 通过含有被测气体的气室，另一路通过不含被测气体的参考气室，根据比尔一朗伯特定律， 则两路的输出分别为： f = d k a ( r ，t ) t o f ，t ) e x p ( - c t 。c z ) ( 2 19 ) = d n k 口p ，t ) i o 口，f ) ( 2 - 2 0 ) 式中，一分别为光探测器a ，b 输出的光电流； d ，d b 一分别为光纤a ，b 的分光系数； 。口，f ) 一光源的发光强度，它是温度t 和时间t 的函数； 髟( 丁，t ) ，k 。叮，f ) 一分别为两个光电探测器的光电灵敏度，是温度t 和时间t 的函数。 若两探测器采用同种材料的光敏元件，且选择的型号一致。由于光敏材料具有相同的 温度特性和时漂特性，所不同的仅仅是制造工艺不严格一致引起的光电灵敏度和漏电流、 绝缘电阻的微小差异，调整光路，则下列关系式近似地成立： 武汉理工大学硕士学位论文 生竖旦l k d 口k 口仃，t ) k 为一常数，式( 2 1 9 ) 与式( 2 2 0 ) 相除，并把式( 2 2 1 ) 代入得到： 二 _ l a = k e x p ( 一口。c l ) ( 2 - 2 2 ) l b 可见，式( 2 2 2 ) 等式右边只与被测气体浓度有关，从而消除了光源的不稳定性，以 及光电元气件温漂、时漂的影响。 将式( 2 2 2 ) 两边取对数得到： i i n k + l n ( ) c 且 ( 2 - 2 3 ) a 。l 调整电路可使k 等于1 ，i n k 等于0 ，两路光强之比的对数可作为系统的输出，消除 光强波动带来的影响，而且这个值与气体浓度成正比。 2 3 2 双波长单光路法 图2 4 双波长单光路差分吸收法 光源采用宽带光源，经两块不同波长的滤光片进行滤光，九在气体吸收峰上，九为气 体吸收很弱或不吸收处，则两波长的光经气室后的输出分别为： i 26 1 k 1 ，o 口，t ) e x p ( - o t ，c l ) ( 2 24 ) f ；26 2 k 2 ，o ( r ，f ) ( 2 25 ) 式中f f 一分别为光探测器在波长 ，九处输出光电流； 玩，6 ：一分别为波长 ，如的两滤光片对光的透射率； ，。口，f ) 一光源的发光强度，它是温度t 和时间t 的函数； k 。，x ：一分别为光探测器在波长 ，a ：处的光电灵敏度。 如果选用的光源的中心波长漂移特性比较小、滤光片的稳定性好以及光探测器的光谱 响应范围宽，调整光路参数，则有： ! ：置 d 2 k 2 k 为一常数，式( 2 2 4 ) 与式( 2 - 2 5 ) 相除，并把式( 2 - 2 6 ) 代入可得 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 拿i ：k e x p ( 一a 。c l ) ( 2 27 ) f 如 同样可以消除光源不