（通信与信息系统专业论文）光谱吸收式光纤甲烷气体传感器关键技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 自2 0 世纪8 0 年代以来，基于光谱吸收的气体浓度检测技术得到了很大 的发展。利用气体吸收光谱的特征，实现对气体浓度的检测，已成为光纤传 感器的一个重要研究方向。针对传统化学式甲烷气体传感器在使用中存在容 易受潮湿、易“中毒”等缺点，利用光纤传感器对甲烷气体进行浓度检测， 则可以充分发挥光纤传感器抗电磁干扰、绝缘、耐水、耐腐蚀的优势。 根据气体存在特征吸收谱线，课题选择了甲烷气体在以1 6 5 3 7 2 n m 为中 心的吸收谱，通过对甲烷气体吸收光谱的分析，研究了目前普遍采用的波长 调制实现气体浓度谐波检测的方案，明确了光谱吸收式甲烷气体浓度检测的 方法。对检测方法中涉及到的各次谐波特征与相互关系、谐波检测基本原理、 小信噪比条件下微弱谐波信号检测原理、光源波动对检测结果的影响等关键 技术做了分析。同时从工程应用的实际角度出发，提出对关键技术中存在问 题的解决方法以及实际所采用的电路结构。试验中利用a d 6 3 0 平衡调制器实 现锁相放大以便实现微弱谐波信号的检测，提高谐波信号的信噪比。并对利 用二次谐波与一次谐波的比值来消除由光源波动引起的影响等做了分析。给 出了甲烷气体谐波检测总体方案，明确了光谱吸收式光纤甲烷气体传感器试 验系统的总体结构，对其中的主要部分信号发生单元、谐波提取和数字处理 部分做了相应的试验，验证了解决方案的可行性。通过对光谱吸收式光纤甲 烷气体传感器系统关键技术研究，为进一步推进甲烷气体光纤传感器实用化 奠定了一定的基础。 关键词：甲烷；光谱吸收；谐波检测；光纤传感器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t f r o mt h e19 8 0 s ，t h ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yo fg a sc o n c e n t r a t i o nb a s e do i lt h e s p e c t r u ma b s o r p t i o nd e v e l o p e dq u i c k l y t h e d e t e c t i o nm e t h o d so fg a s c o n c e n t r a t e d 、析mt h ec h a r a c t e r i s t i c so fg a sa b s o r p t i o ns p e c t r u ma r eb e c o m i n ga l l h o tr e s e a r c h i n gd i r e c t i o n c h e c k i n gm e t h o do fm e t h a n eu s i n g 、析lo p t i c a lf i b e r s e n s o rs y s t e mt o o ka d v a n t a g e so fa n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，i n s u l a t i o n ， w a t e rr e s i s t a n t ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，w h i c hc a ns o l v et h ep r o b l e m so fe a s yt ob e m o i s t e n e da n d p o i s o n e d a c c o r d i n gt ot h ea b s o r p t i o ns p e c t r u mo fm e t h a n e ，t h ea b s o r p t i o nl i n ew a s s e l e c t e da t16 5 3 7 2 n m t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h em e t h a n ea b s o r p t i o ns p e c t r u m ， t h ew i d e l yu s e ds c h e m ew h i c hd e t e c t e dg a sc o n c e n t r a t i o nw i t hh a r m o n i cb a s e do n t h ea n a l y s i so fa b s o r p t i o ns p e c t r u mo fm e t h a n ew a si n v e s t i g a t e d ，a n dt h e c h e c k i n gm e t h o do fo p t i c a lf i b e rm e t h a n eg a ss e n s o rs y s t e mw i 也s p e c t r u m a b s o r p t i o nw a sd e t e r m i n e d t h ec r i t i c a lt e c h n o l o g ym e n t i o n e di nt h i sp a p e rs u c h a st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne a c hh a r m o n i c ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo fh a r m o n i c d e t e c t i o n ，t h ep r i n c i p l eo fw e a kh a r m o n i cs i g n a ld e t e c t i o n 谢t 1 1l o ws n r , t h e i n f l u e n c eo f l i g h t s o u r c ef l u c t u a t i o nt od e t e c t i o nw e r ea n a l y z e d m e a n w h i l e f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，t h ew a yw h i c hs o l v e dt h e p r o b l e mi nt h e c r i t i c a lt e c h n o l o g ya n dc i r c u i ts t r u c t u r ei nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n w e r ep u tf o r w a r d t h el o c k - i n a m p l i f i e rw a sa c c o m p l i s h e d w i t hb a l a n c e d m o d u l a t o ra d 6 3 0t od e t e c tw e a kh a r m o n i cs i g n a la n di m p r o v es n r t h eu t i l i t y o ft h er a t i oo fs e c o n da n df n s th a r m o n i ct oe l i m i n a t et h ei n f l u e n to fl i g h ts o u r c e f l u c t u a t i o nw a sa n a l y z e d t h et o t a ls c h e m eo fh a r m o n i cd e t e c t i o nw a sg i v e n g e n e r a ls t r u c t u r eo ft h ed e t e c t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e mw e r ec l a r i f i e d t h e s o l u t i o n so fm a j o rd i v i s i o ns u c ha ss i g n a lg e n e r a t i n gu n i t ，h a r m o n i ce x t r a c t i o n a n dd i g i t a lp r o c e s s i n gu n i tt h r o u g ht h ee x p e r i m e n tw e r ev e r i f i e d t h eb a s i so f 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p r o m o t i n go p t i c a lf i b e rm e t h a n eg a ss e n s o rs y s t e mw a se s t a b l i s h e dt h r o u g ht h e r e s e a r c ho fc r i t i c a lt e c h n o l o g yo fo p t i c a lf i b e rm e t h a n eg a ss e n s o rs y s t e m k e yw o r d s ：m e t h a n e ；s p e c t r u ma b s o r p t i o n ；h a r m o n i cd e t e c t i o n ；o p t i c a l f i b e r s e n s o r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者( 签字) ：j 磊 日期：聊年孑月步日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数 据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结 合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位 为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 酣在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：三鸯 日期： 川年= ；月哆日 导师( 签字) ：莒密彳 沏7 年专月哆e t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 我国人口众多，矿产丰富。煤矿井下的有害气体有甲烷、乙烷、二氧化 碳、一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、氮氧化物、氢、氨等，其中甲烷所占的 比重最大，占8 0 以上，是瓦斯的主要成分之一。当空气中甲烷的浓度大于 5 0 时，能使人缺氧而窒息死亡。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5 0 以上。实时监测瓦斯气体含量、防止其 爆炸意义重大。为了预防与控制事故的发生，最大限度地减少人员伤亡事故， 必须设置能在线实时快速检测甲烷气体浓度的仪器和设备。早在十多年前 有关管理部门和专家就提出急需解决这方面的技术问题的建议和要求。因此， 该课题的研究和开发符合国民经济发展的需要，符合社会生产安全的需求， 监测甲烷状态的光纤传感器及其系统的研制与开发有重大的现实意义和广阔 的市场前景。 本课题将光纤传感技术和数字信号处理技术相结合，设计一种灵巧结构 的全光纤气体检测仪。它不仅可以为我国工业废气的在线检测提供新的手段 和方法，还可以为工厂提供污染状态的前沿性数据资料和精确的定量，并且 其光学信息处理方法也将为今后进一步深入研究国产化多参数污染监测仪器 及系统打下基础。该仪器不仅可以监测甲烷气体，稍加改进或安上附件，就 可测量其它有害气体，在多种气体测量领域有着广阔的应用前景。气体浓度 光纤测量系统，除对环境气体进行监测，也可以对矿井中危险化学物质、工 业防燃防爆、化学与电子工业区的液态天然气和液化石油气的泄漏进行监测； 讨论采用时分、空分、频分等多路复用技术，使多个传感器共用一个光源， 进行多点分布式测量，降低整个系统成本等方面的工作。本研究具有较大的 科学价值，对发展我国科学仪器产业有促进作用，具有重要的现实意义和应 用市场。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 发达国家对吸收式光纤气体传感技术的研究起步较早。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 k c h a r t 等人，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。 1 9 7 9 年，他们提出利用长距离光纤进行大气污染检测h 。1 9 8 1 年，他们报道 了光纤二氧化氮气体的检测实验。利用二氧化氮在4 0 0 r i m 和8 0 0 r i m 处的较宽 吸收峰，用l e d 作光源进行二氧化氮的直接吸收测量。与此同时，他们还进 行了光纤化的甲烷气体浓度测量实验研究。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p 1 ，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) 。其后，1 9 8 5 年，h i n a b a 和k c h a r t 及h i t 0 等人又用i n g a a s 材料 l e d 作为光源去对准甲烷在1 6 6 5 4 r i m 处的谐波吸收峰，采用同样的系统， 由于1 6 6 5 4 r i m 处的谐波吸收峰吸收强度较1 3 3 1 2 r i m 处大一倍州，因此系统 最小探测灵敏度提高了一倍。另外，他们还对一些可燃易爆的有机分子气体 如c 3 h 8 、c 2 h 4 、c 2 h 2 、c 2 h 6 和c g i - i i 0 的光纤远程测量进行了实验。 1 9 8 7 年，j e 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。这种方法适合于甲烷和乙炔等具有梳 状吸收峰的气体。宽带入射光可覆盖一族气体吸收峰，通过气体吸收后，光 谱被调制为梳状，一般来说，气体吸收引起的输出光功率变化的大小决定了 系统的测量灵敏度。由于气体吸收峰很窄，吸收强度小，因而相对光功率的 变化也小，测量精度不高。利用一个和气体吸收峰相匹配的梳状滤波器，气 体吸收引起的相对输出光功率变化将会大大提高，检测效率可得到改善，测 量灵敏度也有近十倍的提高v 1 。 1 9 8 8 年，a m o h e b a t i 和t a 鼬n g 用1 3 3 p m 的i n g a a s p 多模激光器测量 甲烷气体浓度，采用波长差分吸收法，室温下测量最小灵敏度可达 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 0 0 0 p p m m 。 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 t x m 单模分布反馈式( d f bl d ) 半导体激光器，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 。这一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。 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。这个系统传输光纤长 4 k m ，气室长度1 0 c m ，检测系统采用波长调制的谐波检测技术，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 ，气体间的串扰很 小，可以忽略州。这是一种传感器的复用方法，类似于光纤通信中的波分复 用技术，在一根光纤中传输几路波长不同的信号。v w e l d o n 在1 9 9 3 年和1 9 9 4 年分别报道了采用一个1 6 4 1 a m 可调谐d f b 激光器同时测量甲烷和二氧化碳 以及一个1 5 7 9 m 可调谐d f b 激光器同时测量硫化氢和二氧化碳气体的实验 研究p 。系统最小探测灵敏度都优于1 0 p p m 。 1 9 9 8 年，英国s t r a t h c l y d e 大学的gs t e w a r t 报道了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。实验结果显示在复用数量不多的情况下，它的精度与单点系 统相当。但是它要用多个光检测器和信号处理设备，因此成本降低空间有限， 没有达到最佳性价比。1 9 9 9 年，香港理工大学的靳伟博士对t d m 技术用于 光纤气体传感进行分析，给出了一个理论模型，对复用数量和灵敏度作出了 理论预测。其后，他的学生h o i ，实现了一套t d m 复用的多点光纤传感系统， 实验结果与理论预测相符合。到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 最简单结构，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 元串扰复杂，测量数目以及测量灵敏度都不是很高“。 国外对基于光谱吸收式光纤气体传感方面进行了大量研究，形成了比较 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；i i ；i i ；i i ； 有效的方法，但由于成本和工艺等问题，形成光纤气体测量仪器方面的报道 很少。 国内吸收型光纤气体传感方面的研究起步较晚，始于上个世纪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 作光源构成传感系统。 1 9 8 9 年，西安光机所郭栓运等介绍了差分光谱光纤气体传感器的基本原 理，列举了一些具体应用实例“。 1 9 9 7 年，山东矿业学院的曹茂永等对吸收光谱式光纤瓦斯传感器的参数 设计进行了探讨。在简述光纤瓦斯传感器原理的基础上，利用差分吸收法消 除光源不稳定及光电器件的温漂、时漂对测量准确度的影响，并介绍了采用 函数拟合和线性插值进行线性校正“。 1 9 9 8 年大连理工大学刘文琦等，用1 3 1 9 mi 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。为了获得更大的光强变化量，他们在气室中采 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，从而使 光纤传感器对甲烷有较高的灵敏度、选择性和可逆性叫。 2 0 0 0 年，浙江大学叶险峰博士用1 3 1 a ml e d 作光源，配合闪耀光栅对 c h 4 气体进行了检测实验”。检测灵敏度为1 3 0 0p p m m 。同时对分别用分布 反馈激光二极管、垂直腔面发射激光器以及其他单频器件做光源的激光气体 传感方法进行了研究实验。 2 0 0 1 年，吉林大学的王一丁等基于朗伯比尔吸收定律，设计了具有新 型光路和电路结构的便携式红外c h 4 气体检测仪。该仪器具有智能化、低功 耗和低成本等特点，可以应用于矿山、冶金、化工、石油、机械等工业和环 境保护中“。 2 0 0 3 年，武汉理工大学的刘泉教授等基于乙炔气体的光谱吸收特性，提 出了一种带有参考通道的光纤乙炔气体在线实时检测系统。该系统采用l e d 做光源，i n g a a sp i n 二极管作为光电探测器，在设计过程中采用了双光源、 双光路、双气室结构，并给出了该乙炔光纤气体检测系统的实验结果“。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 0 0 5 年，中国科学院上海光学精密机械研究所林枫，蔡海文等人利用超 辐射发光二极管实现了对甲烷的差分吸收测量，测量灵敏度达到1 0 0 0 p p m t 嘲。 1 3 课题主要研究内容 本课题主要研究如何利用吸收光谱学检测甲烷气体浓度，并对其关键技 术进行了研究。课题首先分析了吸收光谱学检测甲烷气体浓度的原理、检测 方法的讨论，然后基于波长调制谐波检测对信号进行分析处理，光谱吸收式 光纤甲烷气体传感器系统关键技术研究过程中要选择符合要求的光源，对光 源的精度、灵敏度都要求很高。同时还在h i t r a n 数据库中进行比较大的数据 检索工作。接着提出了系统结构框图，并且根据系统结构框图逐步设计系统 中各单元电路。 1 4 论文各章安排 本文的内容分为四章，其结构如下： 第1 章为绪论，首先对甲烷气体检测的必要性和重要性进行了论述，然 后介绍了甲烷气体检测系统的国内外发展现状以及现实意义和发展前景，最 后介绍了本文的研究内容和各章节安排。 第2 章介绍了吸收光谱学检测甲烷气体浓度的理论基础，然后对谱线的 选择、激光光源的选择做了比较详细的分析与论述，最后介绍了检测方法及 方法的比较。 第3 章主要对波长调制谐波信号进行信号的分析处理。首先进行了波长 调制与频率调制的比较，接着介绍了谐波探测的理论，在此基础上进行了波 长调制的谐波检测的分析处理。 第4 章首先介绍了系统的总体框图，然后按着系统框图的顺序，分别设 计了调制信号单元、检测信号单元和数字处理部分的电路结构。其中着重介 绍了锁相放大器的工作原理及基本构成。 最后是结论部分，对全文的内容进行了总结。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章光谱吸收式光纤气体传感器理论 2 1 引言 本章首先介绍了选择吸收法测量气体浓度的基本理论和光谱吸收甲烷气 体传感的基本原理，确定了甲烷气体吸收谱线，根据确定的吸收谱线进行了 光源的选择。然后介绍了基本的弱光谱吸收检测方法，并进行了系统检测方 案的比较。 2 2 吸收式光纤传感器气体检测基本理论 2 2 1 气体分子光谱理论 在2 0 0 2 年燕山大学的郭增军博士的博士论文中提到的系统重要的基本 理论是气体分子的选择吸收理论刃，即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( e = 枷) 。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，即气体分子的选择吸收。 以波长( 或频率) 为横坐标、被吸收的能量( 吸光度或透光率) 为纵坐标绘制的 谱图，称为吸收光谱图。 气体吸收光子后，分子跃迁到激发态，在激发态停留非常短的时间后， 又通过直接发射回到稳定状态。在这个过程中，释放出光子。此时发射的这 个光子，由于分子的不断运动，释放光子的出射方向已经不是原入射方向， 而是在4 万球面立体角中任意发射。这就相当于入射方向上的光子被散射掉 了( 瑞利散射) 。由于气体分子结构具有互异性，不同气体的吸收谱因其分子 结构的不同而互不相同，检测某种特定波长光的吸收情况，可进行气体的定 性和定量分析。 根据量子力学理论，原子核外电子的能量分布不连续，电子在其轨道上 运动，不会发出电磁波，只有当电子从能量为e 的一个量子轨道跳到能量为 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 e 的另一个量子轨道时，才会发出电磁波，此过程叫做量子跃迁。当有电子 从高能级跃迁到低能级时，才能释放一定频率的光子，表现出发射光谱的性 质；反之，当电子吸收一定频率的光子，由低能级跃迁到高能级时，则表现 出吸收光谱的性质。发射或吸收光的频率，满足玻尔的频率条件： h v = 互一易 ( 2 - 1 ) 即只有当光量子的能量恰好等于原子能态互与能态垦之差时，这个光量子才 会被这个原子吸收。 分子由原子组成，原子的价电子通过化学键相互结合形成分子。分子的 内部运动远比原子复杂。一个稳定的分子各组成原子之间有相对稳定的距离， 它们的价电子互相结合，形成分子的电子基态与各激发态。如以基态能量为 零，则电子激发态的能量与原子的激发能同量级，一般在l o e v 上下。由电 子能级间跃迁产生的光谱，落在紫多 i - n 可见光范围内，称之为电子谱。其次， 分子内各原子按一定的规律振动，由于原子的质量( 主要是原子核的质量) 比 电子大的多，振动运动的速度也比电子运动的速度小的多。不同的振动状态 形成分子的振动能级，振动能量约在l e v 以下，振动谱落在红外波段。分子 作为一个整体，可以绕分子中的若干轴线作转动运动。由转动能级之间的跃 迁产生的纯转动谱处于远红外至微波波段。一个分子内部运动的总能量是由 其外层价电子的能量e e ，分子的振动能量e v 和分子的转动能量e r 组成。 2 2 2 气体分子吸收谱线 气体分子吸收谱线的主要参数有吸收线宽和吸收线型。气体分子吸收线 宽取决于各种各样的因素。参加辐射跃迁的高低能级具有一定的宽度、温度、 压力、电场和磁场等都可能使谱线变宽。下面是导致气体分子吸收线变宽的 三个主要因素m2 1 1 。 1 自然宽度 没有外界影响的谱线宽度( 即半宽度) ，称为自然宽度。主要是由电子在 原子内的振动受到阻尼引起的。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 多普勒变宽 原于在空间作相对热运动引起的变宽效应( 考虑相对论校正的结果) ，称 为热变宽或多普勒( d o p p l e r ) 变宽。因为原子作热运动时总有向着检测器和背 着检测器运动的分量，前者使观测到的波长缩短( 或频率增大) ，后者则使波 长增长( 或频率减小) ，即谱线发生变宽。 3 碰撞变宽 产生发射或吸收跃迁的原子与同种原子或其他气体原子、分子相碰撞受 到阻尼，也可能引起变宽。与同种原子碰撞所引起的变宽称为共振变宽或赫 茨玛克( h o r t s m a r k ) 变宽；与异类原子或分子碰撞所引起的变宽，称为洛伦兹 ( l o r e n t z ) 变宽。 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。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。由于自然展宽和碰撞展宽而产生的谱线强度分布可描述为： 如) = 厶瓦蒂粉荔1 ( 2 2 ) 式中，( 彩) ，回气体的宏观吸收系数和频率；7 ，f 一分别是与碰撞效应和激 发态分子的跃迁时间有关的常数；此外运动原子的多普勒效应使得观察到的 谱线频率相对于静止分子发射的谱线频率有一个频移，多普勒加宽可以写为 a r o o 7 1 6 x 1 0 铴p 彳) 2 ( 2 3 ) 相应的： 7 1 6 x 1 0 彳- 五o ( r a ) 2 ( 2 - 4 ) 式中z 一绝对温度； 彳气体的分子量。 8 多普勒加宽引起的谱线强度分布可以用高斯分布函数表示： 凇，= i o - e x p 一等m 协5 ， 这种线型称为高斯( g a u s s ) 线型。 l o r e n t z 线型和g a u s s 线型组成的卷积，即为福赫特( v o i g t ) 线型。 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 振动及转动谱线受多普勒加宽的影响不大：在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。所以对式( 2 2 ) 做适当变换以 l o r e n t z 曲线描述c h 4 分子的吸收谱线型： 以砷确丽1 q 石 式中：口( 五) 一表示对应波长元处的吸收系数； 矗对应吸收峰； y 2 一带阻尼的电偶极振子的衰减速率； 图2 1 气体分子的典型吸收线 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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 h 4 的谱线形状、宽度等可认为保持不变。气 体分子的典型吸收线如图2 1 所示。 2 2 3 甲烷气体特征吸收谱线的选择 甲烷气体分子具有4 个固有的振动：v i _ 2 9 1 3 o c m ，v 2 = 1 5 3 3 3 c m 1 ， v 3 = 3 0 1 8 9 c m 1 ，v 4 = 1 3 0 5 9 c m - 1 。每一个固有振动对应一个光谱吸收区，它们 的波长分别为3 4 3 i n n ，6 5 3 l a i n ，3 3 1p a n 和7 6 6 p m 。甲烷在3 , - - 4 p r n 波长区 域有强烈的振动吸收峰( v 3 ) ，虽然铅盐激光器可以产生这一波段上的光，但 是光源和探测器都需要低温制冷，价格昂贵，使用不方便瞄副。此外，这一波 段上，红外光纤技术又不成熟，而且这一波段处于石英光纤的高衰减区，因 而这一吸收带不适合光纤传感系统。然而甲烷结合带( v 2 + 2 v 3 ) 和泛频带( 2 v 3 ) 分别位于1 3 岫和1 6 1 a m 附近，在石英光纤的低损耗区( 1 0 1 t m 1 7 1 m a ) ，光 源技术相对成熟，是目前技术条件下的最好选择例。图2 2 给出了甲烷气体 的吸收光谱图。 i 0 0 篓0 7 5 也 枣 0 。5 液装( t 哟 图2 2 甲烷气体的吸收谱图 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由图2 2 可以看出，甲烷气体在1 6 t t r n 处的吸收强度大于在1 3 t t m 处的吸 收强度。由甲烷气体在1 6 阻处的精细结构谱图可知( 见图2 3 ) ，甲烷气体在 1 6 5t t m 的q 支带吸收线最强。 波长c r y ) 1 6 3l 五41 6 5l 石6l 五7i 6 9l 五9 q 线 图2 3 甲烷在1 6 b t m 处的精细结构谱图 2 2 4 激光光源的选择 用于光纤气体传感器中的光纤细而长，为使光波能在其中正常传播，并 满足测量要求，对光源的结构与性能要求如下： ( 1 ) 由于光纤传感器的结构有限，要求光源体积小，便于与光纤耦合； ( 2 ) 光源功率大，以保证传感器输出的光功率强； ( 3 ) 光源输出波长应与光纤的低损耗窗口相适应，以减少光波在光纤中传 输能量损耗； ( 4 ) 光源工作时稳定性好、噪声小，能在室温下连续长期工作； ( 5 ) 光源要便于维护使用方便。 光纤测量和光纤传感系统使用的光源种类很多，按照光的相干性可分为 相干光源和非相干光源。非相干光源包括白炽光源和发光二极管( l e d ) ，相 干光源包括各种激光器。而激光器按工作物质的不同，可分为气体激光器、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 液体激光器、固体激光器和半导体激光器。下面对几种可用的典型光源进行 分析卅。 2 2 4 1 白炽光源 白炽光源属于温度辐射体，具有连续的光谱分布。辐射光是从通有电流 的钨丝发出来的。钨丝的熔点为3 6 0 0 k 。钨丝装在抽成真空的或充有惰性气 体的玻璃泡里，工作温度通常在2 2 0 0 3 0 0 0 k 。白炽灯发光近似于黑体辐射， 光源的亮度正比于辐射体热力学温度的4 次方，辐射光谱的峰值波长与辐射 体的温度成反比。白炽光源发光分布于4 n 立体角范围内，而且在发射光谱 中，对光纤传感系统有用的可见光和近红外光部分所占比例较小。白炽光源 一般适用于和光纤束或粗芯光纤配合使用。 2 2 4 2 气体激光器 气体激光器通常用于要求高度相干的系统中。最常用的气体激光光源有 工作波长为0 6 3 3 1 t m 或1 1 5 岬的氦氖激光器，工作波长为1 0 6 9 m 的二氧化 碳激光器，工作波长为0 5 1 6 9 m 的氨离子激光器。h e - n e 激光器作为廉价、 低功率( 0 1 1 0 0 m w ) 高相干光源特别有用。h e - n e 激光器容易达到单纵模工 作，一种方法是减小激光腔的长度，使得在激光带宽内只发生一个振荡模。 这种单模的线宽非常窄，低到1 k h z 的宽度。氩离子激光器能产生非常高的 功率，因而具有很高的亮度。但它的价格高，效率低，使用不便。然而，对 于非线性效应的研究和大面积受相干光照射的全息处理却是有用的。二氧化 碳激光器是一种可高达数百瓦的光源。但因其工作于远红外波段，故常用于 作切割工具和探测大气成分的光雷达等光源口5 1 。 2 2 4 3 半导体光源 半导体光源是光纤系统中最常用的光源。其主要优点是体积小、重量轻、 可靠性好、使用寿命长、亮度高、供电电源简单等。它与光纤的特点相容， 因此，在光纤传感器和光纤通信中得到广泛应用。半导体光源可分为发光二 极管( l e d ) 和半导体激光器( l d ) 。这两种器件结构明显不同，但却包含相同 的物理机理。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 发光二极管( l e d ) 发光二极管( l e d ) 是一种固态p n 结器件，其发光机理包括p n 结发光、 异质结注入发光以及雪崩击穿发光和隧道效应发光等。其发射的是非相干光， 具有较宽的谱宽( 3 0 n m 6 0 n m ) 。按发射波不同，目前发光二极管可被划分为 3 个波段：可见光发光二极管，波长范围为4 0 0 n m 7 0 0 n m ，其主要用于指示、 数字与字母显示、阵列和平板显示等，是目前使用最广的发光二极管，但是 它的波长范围不在光纤低损耗窗口内。近红外短波长发光二极管，波长范围 为8 0 0 n m 9 0 0 r t m ；近红外长波长发光二极管，波长范围为1 0 0 0 n m 1 7 0 0 n m ， 这2 个波段处于光纤低损传输窗口，因此它们可应用于光纤通信、光纤传感 系统中。 2 半导体激光器 半导体激光器的发光是能带之间的电子空穴对复合产生的。半导体激光 器要产生激光，要满足以下条件：第一，要产生足够的粒子数反转；第二， 要有谐振腔( r e s o n a n tc a v i t y ) ，能起到光反馈的作用；第三，产生激光还需 要满足阈值条件，即增益要大于总的损耗。对于半导体激光器，它所用的发 光材料( i n g a a s p ) 和l e d 一样，大多数采用i n g a p , t l n p 双异质结。实现粒子 数反转需保证n 型半导体的导带能级与p 型半导体价带能级差大于所需频率 光子的能量，才能使光子的产生率大于光子的损耗率，即有净剩光子存在。 光子在谐振腔端面每反射一次都将获得一次增益( 受激发射，光子数增加) ， 这样就获得了激光。一般的半导体激光器( l d ) 具有如下基本性能口： 阈值特性要得到净剩光子就必须有足够的电流，因此l d 的驱动电流 只有达到某一强度，l d 才会出激光，这时的驱动电流即为阂值电流。 l d 的模( m o d e ) 结构l d 的谐振腔是利用半导体发光晶体的天然解理 面构成的f p 腔。在一个长度为l ，腔中介质折射率为i l 的矩形腔中，满足 谐振( 驻波) 波长有很多，即满足的波长： 五肌2 n = 三 ( 2 - 7 ) 都可以谐振。每一种振荡模式为一个纵模。一般条件下l d 是多纵模的结构。 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 环境温度涨落会引起各纵模中心频率的漂移即模式竞争。在吸收式气体检测 中，即使采用精密控温，l d 谐振腔端面总存在一定的热涨落，引起腔长的 微小变化，各纵模的谐振态亦将发生变化，造成光波能量在各纵模之间重新 分配。尽管宏观上总的输出光强稳定，单个纵模或几个主要纵模因模式竞争 都不稳定。由于气体的吸收谱线很窄，参与吸收的只能是某个或某几个纵模， 这些纵模的不稳定，必然导致一定浓度的气体吸收的光能量的不稳定。所以 多纵模半导体光源不宜用于气体吸收检测。普通结构的f p 腔半导体激光器， 即使在直流状态下能实现单纵模工作，但在高速调制状态下也会发生光谱展 宽。在用作于光纤通信系统的光源时，若光纤具有色散，则上述光谱展宽会 使光纤传输带宽减少，从而限制传输速度。 3 分布反馈式半导体激光器( d f bl 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 e ) 单纵模激光器是采用某些措施使得多纵模中的一个模存在，其它的纵模 都被抑制掉，形成一种光强、波长都很稳定的光源。比较成功的方法是分布 式反馈抑制( d f b ) ，这种d f bl d 的阈值电流一般比普通的激光器的要小， 中心波长可以通过改变注入电流来调节，性能好、稳定性高，是吸收型光纤 气体传感器的主要可选光源口嘲。 实际中应用的d f bl d 主要有具有均匀光栅的d f bl d ，2 4 相移的d f b l d 和增益耦合的d f bl d 三种。在光纤气体传感中主要应用增益耦合的d f b l d 。这种d f bl d 有稳定的单纵模工作状态，而且具有高速、低啁啾的特性。 一般情况下，增益耦合d f bl d 中，沿腔只有增益是周期性分布的。但 实际器件中同时也存在折射率周期性分布。在做一般的分析时，要考虑存在 折射率的周期分布。增益和折射率的周期分布可分别表示为： 厂9 口 、 = g 一, h + a g c o s i = + 缈+ 9f ( 2 8 ) l ，9 ，、 n r = 瓦+ a n r c o s | 竿+ 缈i ( 2 9 ) l 增益耦合激光器的激射膜可以用下述耦合系数的耦合波方程来分析： 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 七= 吒+ 也e x p ( i 0 ) ( 2 1 0 ) 式中为增益耦合系数，颤为折射率耦合系数，分别由下式表示： 吒：华 ( 2 1 1 ) = g 2 ( 2 1 2 ) 在纯增益光栅激光器中，k 吒2 + 2 = 1 ，能得到在布拉格波长下的稳 定单纵模工作，它对于界面反射和进入腔的反射光造成的不稳定性具有更大 抵抗性。这是由于增益耦合d f bl d 的主膜与最大边膜的阈值增益差很大例。 2 3 检测方法 在近红外波段气体的吸收谱宽仅几个纳米，气体吸收的信号将湮没在噪 声中，直接用光谱吸收测量气体的浓度很难，所以弱信号的检测是光谱吸收 型光纤气体传感技术的关键。在光纤甲烷气体传感系统中，影响检测灵敏度 的因素很多，包括光源功率的波动，光纤链路及气室对光路的干扰，光探测 器p i n 的噪声，电路的时漂和温漂等，都会不同程度地降低系统的检测灵敏 度，它们具有随机性，可以利用不同的检测方法加以消除，差分吸收检测法 和频率调制谐波检测法是两种基本的弱光谱吸收检测方法。 2 3 1 差分吸收检测法 根据b e e r - l a m b e r t 定律推导出的输出光强度作为判断气体浓度的唯一判 据，因而光源波动、光纤耦合效率的变化、光电元件的漂移及环境干扰等因 素都会引起接收光强度的变化，使检测结果产生误差。考虑实际测量时各种 因素的影响，b e e r - l a m b e r t 定律的完整表达式应把其中的吸收系数换成具体 的各种吸收因子的综合列： 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ，( 兄) = 厶( 五) e x p - ( a c z + 比+ 三+ 七) 】 ( 2 - 1 3 ) 式( 2 1 3 ) 中，口是一定波长下的单位体积、单位长度介质的吸收系数；b 是 瑞利散射系数；k 是气体密度波动造成的吸收系数。 仅由式( 2 1 3 ) 来确定待测气体的浓度c 是很困难的，因此采用两个波长 ( 五、五) 相近但吸收系数相差很大的单色光同时通过待测气体，则可得出待 测气体的浓度： c 2 石 苌瓦【1 1 1 ( 每) 一m 砉) 一( 2 j i 一6 2 ) 一( 乃一圪) 三一( 局一岛) 】( 2 - 1 4 ) 由于丑五，并且此两束单色光同时经过被测物体，所以可以认为： 2 j l 6 2 ，乃儿，岛也，因此式( 2 1 4 ) 可化简为： c = 熹c a , a 2 ) l 陋睁1 0l n ( 玉2 ) 】 ( 2 - 1 5 ) 一 、 2 、7 式( 2 1 5 ) 中，光源不稳定、光电元件漂移及环境干扰等因素对元和厶的 影响是相同的，因而可以消除它们的影响，提高传感器检测的灵敏度。图2 4 为双波长差分吸收检测法的原理框图。 图2 4 双波长差分吸收法原理框图 采用此法的假设条件是：( a ) 波长的光源强度比值恒定；光在光纤中的 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 传输损失和波长关系不大；( c ) 光检测器灵敏度在两波长处相对不变。所采用 的双波长可由两独立光源产生，它们应具有不同的峰值波长；也可以使用宽 带光源，然后将其分割成两个半宽带光源或用色散元件产生。 2 3 2 频率调制谐波检测法 谐波检测( h a r m o n i cd e t e c t i o n ) 是- i - j 实验技术，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，广泛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频作为参考信号， 用锁相放大器记录下要得到的信息，这一特征信息是由调制信号的一系列谐 波信息构成。 这种方法的理论基础是傅里叶变换理论，正如傅里叶变换要求的被变换 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里叶变换系数口2 缁1 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