（光学专业论文）基于tdlas的分布式光纤瓦斯监测系统的研究.pdf

墓丁t d l a s 的分布式光纤瓦斯监测系统研究 摘要 瓦斯爆炸是煤矿安全的主要威胁，对瓦斯气体浓度进行准确、快速、实时监 测和预警是治理瓦斯灾害的有效手段。目前，我国煤矿矿井检测和预警瓦斯的主 要传感器仍然是传统的催化传感器，出于其活性衰减快，表现为寿命短、稳定性 差等缺陷，无法满足我国越来越高的煤矿安全生产的重大需求。因此，发展新一 代免维护、抗干扰、高灵敏度的瓦斯监测系统，成为当日订国际上的研究方向。 本文将可调谐半导体激光吸收光谱( t d l a s ) 技术和分布式光纤传感技术相 结合，采用波长调制技术和二次谐波检测技术完成基于激光吸收光谱的瓦斯浓度 测量，为瓦斯快速、可靠检测提供了新方法。 为了满足煤矿井下瓦斯浓度连续监测的需要，本文在深入研究t d l a s 原理、 波长调制技术以及二次谐波检测技术的基础上，提出了分布式光纤瓦斯监测系统 方案，设计了适用于煤矿井下恶劣环境的微型光吸收池，解决了多个监测点时分 复用激光器和锁相放大器的关键问题，编写了相应的软件系统；结合在线监测的 要求，提出了在光路中嵌入标定池定标反演浓度的新方法，简化了系统，降低了 运行成本；最后，通过不同标准浓度的甲烷气体对系统性能进行了初步测试，得 到检测限低于1 5 0 p p m ，响应时间小于l s ，证明其能够满足矿井瓦斯实时监测要 求。 关键词：t d l a s 技术，波长调制，二次谐波检测，分布式光纤传感技术 摘要 s t u d yo f d i s t r i b u t e df i b e rg a sm o n i t o rs y s t e mb a s e do nt d l a s c h e nj i u y i n g ( o p t i c s ) d i r e c t e db y ：p r o f l i uj i a n g u oa n dz h a n gy u j u n a b s t r a c t g a se x p l o s i o ni st h em a i nm e n a c eo fc o a lm i n i n gi n d u s t r y a c c u r a t e ，f a s t ，r e a l - t i m e m e a s u r e m e n to fg a sc o n c e n t r a t i o na n dg i v i n ga na l a r mi sa ne f f e c t i v ew a yf o rg a s d i s a s t e rm a n a g e m e n t u pt on o w ，g a sc a t a l y t i cs e n s o ri st h em a j o rs e n s o ro fc o a lm i n e g a s i t sa c t i v i t ya t t e n u a t e sq u i c k l y ，s oi th a ss h o r tl i f ea n db a ds t a b i l i t y t h e r e f o r e ，t o d e v e l o pan e wg e n e r a t i o ng a sm o n i t o rs y s t e mw h i c hi se x e m p t e df r o mm a i n t e n a n c e ， a n t i - j a m m i n ga n dh i g hs e n s i t i v e ，h a sb e c o m et h er e s e a r c hd i r e c t i o ni n t e r n a t i o n a l l y a g a sm o n i t o rs y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do nt u n a b l ed i o d el a s e ra b s o r p t i o n s p e c t r o s c o p y ( t d l a s ) t e c h n i q u ea l o n gw i t hd i s t r i b u t e df i b e rs e n s i n gt e c h n i q u e t h e s y s t e me m p l o y sw a v e l e n g t h m o d u l a t i o na n ds e c o n dh a r m o n i cw a v ed e t e c t i o n t e c h n i q u e s i ts u p p l i e dan e w m e t h o dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fs h o r tr e s p o n s et i m e a n dc r e d i b i l i t y t o m e e tt h en e e do fc o n t i n u o u sr e a l t i m em o n i t o r i n go fc o a lm i n eg a s ，b a s e do n s t u d y i n gd e e pt d l a st h e o r y ，w a v e l e n g t hm o d u l a t i o nt e c h n i q u e ，a sw e l la ss e c o n d h a r m o n i cd e t e c t i o nt e c h n i q u e ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dad i s t r i b u t e df i b e rg a sm o n i t o r s y s t e mp r o p o s a l ，d e s i g n e dm i c r o o p t i ca b s o r p t i o nc e l l s ，s o l v e dt h ek e yp r o b l e mo f m u l t i m o n i t o r i n gp o i n t st i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n gt h el a s e ra n dl o c k i na m p l i f i e r ， a n dc o m p i l e dt h er e l e v a n ts o f t w a r e c o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m e n to fr e a l t i m e m e a s u r e m e n t ，an e wi n v e r s i o nm e t h o db yi n s e t t i n g ac a l i b r a t ec e l lw i t h s t a n d a r d c o n c e n t r a t i o ng a si n t ot h eo p t i c a lp a t hw a si n t r o d u c e d ，w h i c hs i m p l i f i e dt h es y s t e m a n dr e d u c e dt h er u n n i n gc o s t a tl a s t ，t h es y s t e m sp e r f o r m a n c ew a st e s t e da n dp r o v e d t om e e tt h er e q u i r e m e n t so fc o a lm i n eg a sm o n i t o r i n gb ym e a s u r i n gs t a n d a r dg a sw i t h d i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o no fm e t h a n e t h ed e t e c t i o nl i m i tw a sb e l o w15 0 p p m ，a n dt h e r e s p o n s et i m ew a sl e s st h a n1 s e c o n d k e yw o r d s ：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 , w a v e l e n g t hm o d u l a t i o n ， s e c o n dh a r m o n i cd e t e c t i o n ，d i s t r i b u t e df i b e rs e n s i n gt e c h n i q u e i i i 学位论文的郑重承诺 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学 位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做 出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产 权归属于培养单位。 本人签名： 整丛整日期：型：兰：望 第一章引言 第一章引言 煤炭行业是我国工业生产中伤亡事故最严重的行业，煤矿事故年平均死亡 6 0 0 0 人以上，百力吨煤死亡率一直在3 0 以上，远高于世界其他主要产煤国，所 以有人将中国的煤炭工业称为“生命换来的工业”。从事故类型来看，死亡人数 在3 0 人以上的特大事故的主要原因是瓦斯爆炸和瓦斯突出。煤矿死亡人数居高不 下，重特大事故不断发生造成了恶劣的社会影响，也有损我国的国际形象【1 j 。“瓦 斯不治，矿无宁日”是煤矿企业经过无数次惨痛教训后得出的共识。 根据多起重大瓦斯爆炸事故的调查，有关专家指出，瓦斯爆炸事故发生的原 因除了煤矿管理等一些人为因素外，也反映出目前我国矿井瓦斯监测和预警系统 尚不完善。因此研究矿井瓦斯监测的基础理论和关键技术，提高我国瓦斯监测系 统的可靠性，减少或避免矿井瓦斯爆炸事故是非常迫切的任务。 1 1 煤矿瓦斯检测的必要性 煤炭是我国的主要能源，占一次性能源构成的6 7 1 2 1 ，甚至更耐3 1 ，而我国 煤矿开采松软低透气性高瓦斯煤层约占6 0 ，属极难抽放瓦斯煤层，瓦斯灾害危 及我国大部分矿区。近年来，煤矿瓦斯灾害事故频发，造成严重的人员伤亡和社 会影响。根据发改委的统计，2 0 0 5 年，一次死亡1 0 人以上的特大煤矿事故中， 瓦斯事故占7 0 7 ，2 0 0 6 年前1 0 个月，全国发生煤矿瓦斯事故2 6 5 起，死亡9 8 7 人。因此，可靠、快速地检测煤矿瓦斯浓度，建立完善的预警系统是当前的首要 任务。 1 1 1 矿井瓦斯 矿井瓦斯是矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的气体。有时单独指甲烷 ( 下文瓦斯与甲烷同义) 。它是在煤的生成和煤的变质过程中伴生的气体。在成煤 的过程中生成的瓦斯是古代植物在堆积成煤的初期，纤维素和有机质经厌氧菌的 作用分解而成。另外，在高温、高压的环境中，在成煤的同时，由于物理和化学 作用，继续生成瓦斯。 甲烷是无色、无味、无嗅、可以燃烧或爆炸的气体。它对人呼吸的影响同氮 相似，可使人窒息。例如，由于甲烷的存在冲淡了空气中的氧，当甲烷浓度为 基丁t d l a s 的分布式光纤瓦斯监测系统研究 4 3 时，空气中相应的氧浓度即降到1 2 ，人感到呼吸非常短促；当甲烷浓度在 空气中达5 7 时，相应的氧浓度被冲淡到9 ，人即刻处于昏迷状态，有死亡危 险。甲烷分子直径0 4 1 n m ，其扩散速度是空气的1 3 4 倍，它会很快地扩散到巷 道空间。甲烷的密度为0 7 1 6 k g m 3 ( 标准状况下) ，为空气密度的o 5 5 4 倍 4 1 。甲 烷在巷道断面内的分布取决于该巷道有无瓦斯涌出源。瓦斯的不能维持呼吸和爆 炸特性对矿井的安全造成了巨大的威胁。 1 1 2 瓦斯爆炸 瓦斯事故包括瓦斯窒息、瓦斯爆炸、煤尘与瓦斯突出，其中瓦斯爆炸事故是 经济损失重大、人员伤亡最多的事故，也是造成社会影响最大的重特大事故。据 统计，因瓦斯爆炸造成的死亡人数占我国煤矿矿难全部死亡人数的8 0 t 。矿井 瓦斯爆炸一旦发生，不仅造成大量人员伤亡，而且还会严重摧毁矿井设施、中断 生产。有的还会引起煤尘爆炸、矿井火灾、井巷垮塌和顶板冒落等二次灾害，从 而加重了灾害后果，使生产难以在短期内恢复【4 1 。 瓦斯爆炸是一种热链式反应( 也叫链锁反应) 。当爆炸混合物吸收一定能 量( 通常是引火源给予的热能) 后，反应分子的链即行断裂，离解成两个或两个 以上的游离基( 也叫自由基) 。这类游离基具有很大的化学活性，成为反应连续 进行的活化中心。在适合的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两 个或两上以上的游离基。这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来 越快，最后就可以发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。所以，瓦斯爆炸就其本质来 说，是一定浓度的甲烷和空气中度作用下产生的激烈氧化反应。 瓦斯爆炸的条件是：一定浓度的瓦斯、高温火源的存在和充足的氧气【5 1 。 ( 1 ) 瓦斯浓度 瓦斯爆炸有一定的浓度范围，我们把在空气中瓦斯遇火后能引起爆炸的浓度 范围称为瓦斯爆炸界限。瓦斯爆炸界限为5 - - 1 6 。 当瓦斯浓度低于5 时，遇火不爆炸，但能在火焰外围形成燃烧层，当瓦斯 浓度为9 5 时，其爆炸威力最大( 氧和瓦斯完全反应) ；瓦斯浓度在1 6 以上时， 失去其爆炸性，但在空气中遇火仍会燃烧。 瓦斯爆炸界限并不是固定不变的，它还受温度、压力以及煤尘、其它可燃性 气体、惰性气体的混入等因素的影响。 第一章引言 ( 2 ) 引火温度 瓦斯的引火温度，即点燃瓦斯的最低温度。一般认为，瓦斯的引火温度为 6 5 0 - 7 5 0 。但因受瓦斯的浓度、火源的性质及混合气体的压力等因素影响而 变化。当瓦斯含量在7 - 8 时，最易引燃：当混合气体的压力增高时，引燃温 度即降低：在引火温度相同时，火源面积越大、点火时间越长，越易引燃瓦斯。 高温火源的存在，是引起瓦斯爆炸的必要条件之一。井下抽烟、电气火花、 违章放炮、煤炭白燃、明火作业等都易引起瓦斯爆炸。 ( 3 ) 氧的浓度 实践证明，空气中的氧气浓度降低时，瓦斯爆炸界限随之缩小，当氧气浓度 减少到1 2 以下时，瓦斯混合气体即失去爆炸性。 1 2 现有矿用瓦斯传感器及检测系统 解决瓦斯突出及爆炸等问题，必须加强对瓦斯的监控。瓦斯检测的传感器直 接关系到煤矿安全监控系统的可靠性和灵敏度，对监控起着决定作用。矿用固定 式甲烷传感器已成为矿井瓦斯综合治理和灾害预测的关键技术装备。 目前，矿井瓦斯催化传感器是检测煤矿矿井瓦斯的主要传感器，其检测原理 为：将催化元件、补偿元件及桥臂电阻构成惠斯顿电桥，加一恒定电压，由于热 催化元件的骨架是铂丝材料，电流流过时加热，使温度为5 0 0 c 左右，当遇到瓦 斯气体时，瓦斯气体接触催化元件表面时会发生氧化反应，产生大量的热量，使 催化元件温度升高，阻值增大，电桥输出不平衡电压，反映被测瓦斯的浓度。检 测原理图如图1 1 所示【6 1 。 吐 ，了、：怒源蛆嘘热催化斛 ，yv o l 竺黼：黜桩 图1 1 检测原理图 然而，长期以来我国载体催化元件一直存在使用寿命短、工作稳定性差和调 校频繁的缺点，严重制约着矿井瓦斯的j 下常检测，主要问题是： 1 ) 抗高浓冲击性能差。在巷道瓦斯涌出量大的情况下元件激活，反复作用的结 基y - t d l a s 的分布式光纤瓦斯监测系统研究 果造成零点漂移并使其催化性能下降，抗高浓冲击性能差是造成元件使用寿命 低、稳定性差的主要原因。 2 ) 对过分追求低功耗的元件，在矿井高湿度环境条件下，甲烷在元件表面燃烧 生成的水蒸气易于凝结在元件表面，降低元件使用寿命。 3 ) 抗中毒性能差。 4 ) 载体催化元件制作工艺水平低，元件一致性差。 现在国内许多矿井已经建立了瓦斯浓度的监测系统，j z l ：i k j 8 2 、k j 9 0 、k j 9 5 、 k j f 2 0 0 0 和k j 4 k j 2 0 0 0 等，基本上都是分支树型的网络结构，在煤矿井上设置控 制中心主站，井下现场设置多个测控分站。分站采集信息并传送给主站，主站处 理信息后发出相应控制命令，由分站接收并执行。主站与分站之间信息和命令的 传输，通过敷设专用电缆，采用r s 4 8 5 、p s k 、f s k 等技术，按各自规定的专用 通信协议来实现。在分站到传感器之间的瓦斯信息，依靠专用电缆，采用4 - - - 2 0 m a 或2 0 0 - - - , 1 0 0 0 h z 的模拟信号来传输，存在传感器接入不灵活、实现跟进不方便、 无法反映工作面瓦斯空j 、日j 梯度的分布等缺点。 1 3 光纤气体传感器的国内外研究现状 随着密集波分复用d w d m 技术、掺铒光纤放大器e d f a 技术和光时分复用 o t d r 技术的发展和成熟，光纤通信技术币向着超高速、大容量通信系统的方向 发展，并且逐步向全光网络演迸。在光通信迅猛发展的带动下，光纤传感器作为 传感器家族中年轻的一员，以其明显优于传统传感器的抗电磁干扰、轻巧、灵敏 度高、耐高温、耐腐蚀、可远距离传输、易复用等方面的特点，广泛应用于工业 生产、医疗卫生、国防工程等重要部门【7 】。过去十年用于环境监测和工业气体过 程控制最成功的技术是激光光谱检测技术，它可以提供相当高的检测精度，与光 纤传感技术结合，成为一种光纤气体吸收光谱检测技术。这种技术可以提供气体 的长距离、在线、实时探测，使得恶劣工程环境下的应用成为可能，在安全监测 方面以及航天和核工业领域有着极好的应用前景【8 j 。 我国在2 0 世纪7 0 年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相差 不远。目前。已有上百个单位在这一领域开展工作，如清华大学【9 】、中国科学院 安徽光机所1 0 - 1 4 】、哈尔滨工业大学【1 5 】、燕山大学【1 6 1 、重庆大学、电子工业部1 4 2 6 所、航天工业总公司三院8 3 5 8 所等。他们在光纤温度传感器、气体传感器、压力 4 第一章引言 计、电流计、位移计等领域进行了大量的研究，取得了j 卣顾科研成果，其中相 当数量的研究成果其有很高的实用价值有的达到i f | = 界先进水平。但与发达国家 相比，我国的研究水平还有不小的差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多 数品种仍处丁实验室研制阶段不能投入批量生产和工稗化应用。 近几年，随着光纤传感技术和光纤通信刚络技术的飞速发展，利用光纤带宽 大、易于成网的特点，组成一个复川的光纤多点传感嘲络系统，已成为莳世界 上最热的传感研究领域之。采用光纤复用披术，位多个传感器共用一根传输光 纤，一个光源和一套信号检测系统可以大犬降低整个系统的成本，而且系统网 络化大大方便了系统的维护管理，为光纤气体传感系统走向实用丌辟了崭新的道 路。 1 9 9 8 年，英国s t r a t h d 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l 作的多点光纤气体传感系统。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。1 9 9 9 年，香港理工大学靳伟博士领导的研究小组对时分复用 ( t d m ) 技术用于光纤气体传感进行分析给出了个理论模型，对复用数量 和灵敏度怍出了理论预测实现了一套t d m 复片| 的多点光纤传感系统，实验结 果与理论预测相符合之后，0 清华人学合作，实现了套f m c w 复用的多点光 纤乙炔气体传感系统【1 7 1 o 2 0 0 0 年m i h a z a v r s n i k 报道了基j 。相干复用的串联的 光纤气体传感复用系统。返可以说是hl 讨多点光纤气体传感网络的最简单结构。 但是由于串联系缆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 量数目以及测量灵敏度都不是特别高i l 。2 0 0 5 年s a n g u ol i 报道了有望用于煤 争n 幽i 2 气体传瞎器头 矿井下甲烷遥测的基于可调谐激光吸收光潜的甲烷传感器i ”j ，他们研制的传感嚣 头如图i 2 所示。2 0 0 6 年，s a n g u ol i 继续报道了实验宦研制成功的便携式光纤 甲烷传感器，如图1 3 所示，法仪器灵敏度为01 ，响应时间为5 s ，白带l c d 墓t - t d l a s 的分布式光纤瓦斯监删系统研究 显示浓度，当甲烷浓度超过o5 时自动报警。但这些研究仅停留在实验室阶段。 倒l - 3 光纤甲烷传感器原型 由此看束，光纤气体传感技术的发展是从利用宽带光源到利用窄带可调谐光 源，从单点测量到多点同时监测，测量灵敏度也是逐步提高，单点测量成本越来 越低，离实用化越柬越近。 1 4 本文研究内容 根据煤矿瓦斯检测的实际需求，本文研究了一种基于t d l a s 的分布式光纤瓦 斯检测技术，建立了瓦斯监测系统。本系统采用一个分布反馈式( d f b ) 激光器， 通过光纤多路耦合嚣，把激光导入到设黄于井f 的各个微型吸收池，经过气体吸 收的激光被缸外探测器接收转换为电信号采用时分复用技术将电信号分时地导 入数据采集与处理系统，完成煤矿井下多个监测点瓦斯浓度的实时监测。整个系 统中只有光纤和微型光吸收池在井下，所有电子电器部分全部在地面，系统的安 全性得到了极大地提高。同时，激光器和探测器的时分复用也大大降低了系统造 价成本2 12 “，为瓦斯准确、可靠、实时监期4 提供了新的传感技术手段。 文章主要介绍了应用波长调制的t d l a s 技术和分布式光纤传感技术相结合， 实现的煤矿瓦斯气体监测系统的光学设计、软件设计以及初步试验结果分析，从 以下几个方面展丌： ( i ) 分子吸收光谱的来源以及甲烷的吸收线的选择；t d l a s 原理以及基于 t d l a s 技术的各种气体浓度检测方法介绍。 ( 2 ) 提出和论证基于t d l a s 的分布式光纤瓦斯监测系统方案，包括电子学部 分光学部分以及检测方法部分。 第一章引言 ( 3 ) 数据采集与处理软件的设计 ( 4 ) 进行了系统综合性能测试实验，得出本系统能够满足矿井瓦斯实时监测的 需要。 基y - t d l a s 的分布式光纤瓦斯监测系统研究 第二章可调谐半导体激光吸收光谱原理 2 1 甲烷气体的分子吸收光谱 2 1 1 分子吸收光谱的来源 分子之所以能够吸收或发射光谱，是因为分子中的电子在不同的状念中运 动，同时分子自身由原子核组成的框架也在不停振动和转动。按照量子力学，分 子的所有这些运动状态都是量子化的。在乖常状态下，分子处于一定能级，即基 态，经光子激发后，随激发光子能量的大小，其能级提高一级或数级，即分子由 基态跃迁到激发念，也就是此分子不能任意吸收各种能量，只能吸收相当于两个 或几个能级之差的能量。分子在不同能级之间的跃迁以光吸收形式表现出来，就 形成了分子吸收光谱。 分子内部存在着下列三种运动： ( 1 ) 价电子在键连着的原子之i 日j 运动； ( 2 ) 各原子间的相对运动振动； ( 3 ) 分子作为一个整体的转动。 分子内部的三种运动并不是互相独立的，而是互相影响的，不能严格加以区 分的。但是三种运动的快慢明显不同，其中价电子的运动比原子问的振动快得多， 因此在价电子运动的时候可以认为原子是不动的；而在研究原子的振动时，可以 认为分子不在转动。这样，一个分子的总能量可以近似地写成三种能量之和： e - , - e p + e v + e j ( 2 1 ) 式中，e ，e ，e j 分别代表分子的电子、振动与转动能量。 分子的三种运动状态都有与之相应的振荡偶极矩，因而产生的分子吸收光谱 可以分为电子、振动与转动光谱。由于分子的结构比较复杂，运动自由度的数目 比原子多得多，因而与原子光谱相比，分子光谱要复杂得多，主要特点是能级的 数目和可能跃迁的谱线数目很多，有许多谱线密集地连在一起形成带状光谱。纯 粹的转动光谱只涉及分子转动能级的改变，不产生振动和电子状态的改变，转动 能级间距离很小，吸收光子的波长较长，频率低。两个转动能级相差 1 0 1 0 k c a l m o l ，单纯的转动光谱发生在远红外和微波区。振转光谱反映分子 第二章可调谐半导体激光吸收光谱原理 转动和振动能级的改变，分子吸收光子后产生振动能级的跃迁，在每一振动能级 改变时，还伴有转动能级改变，谱线密集，显示出转动能级改变的细微结构，吸 收峰加宽，称为“振动一转动”吸收带，或“振一转”吸收。引起这种改变的光子能 量比第一种的高，两个振动能级相距为0 1 1 0 k c a l m o l ，产生予波长较短，频 率较高的近红外区。分子吸收光子后使电子跃迁，产生电子能级的改变，即为电 子光谱。引起这种改变所需的能量比前两种高，为2 0 - - 3 0 0 k c a l m o l 。电子能级 的变化都伴随有振动能级与转动能级的改变，所以两个电子能级之问的跃迁不是 产生单一吸收谱线，而是由很多相距不远的谱线所组成的吸收带。 啦 删 t ji = = = = jl 了 1 1 = 3 跹刿掣牛1 墨广杼 abcd 图2 - 1 分子的一些u 能的跃迁能级 图2 1 画出了几个分子能级| 日j 的跃迁，可以看出分子吸收光谱分成不同的带 系。例如，( a ) 和( b ) 同是( n = l _ 2 ) 电子能级间的跃迁，但相应不同的( v = 0 一v = 0 和v = o _ v = 1 ) 振动能级；( c ) 和( d ) 同是( n = 1 3 ) 电子能级i b j 的跃迁，但 相应不同的( v = 2 _ o 和v = 0 _ o ) 振动能级。在同一振动能级间的跃迁中，包 含有若干条密集的分立谱线，这些谱线对应着不同转动能级间的跃迁。分子吸收 光谱线的特征可以归纳如下： 电子光谱：紫外与可见区域，色，e ，e j 都发生改变( 能量：1 - 2 0 e v ) ： 振动光谱：近红外区域，e e ，发生改变( 能量：0 0 5 l e v ) ： 转动光谱：远红外至微波区域，e ，发生改变( 能量：1 0 。4 o 0 5 e v ) 。 本文研究的t d l a s 技术是利用气体分子在红外光潜区孤立振一转吸收谱线 基丁t d l a s 的分布式光纤瓦斯监测系统研究 来实现测量的。 2 1 2 吸收光谱的线强和线型 由于不同物质的原子、分子具有不同的结构，因而也就具有不同的能级状态， 同时入射光的能量只有满足玻尔条件： h v 2 1 = 乞一巨 蚴 ( 式中，v 2 l 为入射光频率，e ，和易分别表示跃迁自仃后的电子能级) 才能够被物 质吸收。因此，每一种物质的原子或分子都有它本身的特征吸收谱线和吸收带， 这就是吸收光谱用于定性分析的依据。 强度为，d ，频率为v 的单色激光，通过长度为的吸收介质后，在接收端测 得的强度为，设刑为透过率，则有： 丁( 泸( 手) u = e x p ( 一_ 尼u ( x ) 出) 加 ( 2 3 ) 光谱吸收系数七。在k 种痕量气体的多组分情况下，包括了m 重叠跃迁。 k u = 尸，墨u ( 丁冲u ，2 1 忙1 ( 2 4 ) 式中尸为压力，荔为气体j 的浓度( 摩尔分数) ，s c m 2 a t m 。】和【c 聊】分别为气 体，的某种分子能级跃迁i 时的吸收线线强和线型。线强是温度的函数，线型与 压力有关。 分子能级跃迁的线强，反映了吸收和受激发射的综合效果，它依赖于光学跃 迁概率和处于低能态和高能念的分子数目。光学跃迁概率是一个基本的参数，与 温度无关，但是，低能态和高能态的分子数是温度的函数。在h i t r a n 9 6 数据库 中，线强的单位为c m 分子，这个单位是吸收的一个基本描述，但应用在气体浓 度测量中，不是很方便，经常用压力和摩尔质量代替分子数，因此，线强经常用 c m 。2 a t m j 单位，它们之白j 的转化关系为： s ( 丁) c m - 2 a 砌一1 】= s ( 7 ) c m m o l e c u ? 糕 叫酬c m m o l e c u l e ，等c 等警，q 5 1 0 第二章可调谐半导体激光吸收光谱原理 分子的吸收线线强可以用在标准温度t of 测得的线强s ( t o ) 表不： 阶器c 和p 卜竿c 器肿一警椰一p 皆) 】- 1 亿6 ， 矗为普朗克常数，c 为光速，k 为玻尔兹曼常数，e ，为分子处于低能态时的能量。 q 是摩尔分子量函数，可以用下面多项式拟合得到： q ( 丁) = 口+ b t + c t 2 + d t 3 其中多项式的系数可以在h i t r a n 9 6 数据库中查到。 线型函数一般是归一化后的形式，即： _ “( x ，i ) d i 兰1 亿8 ) 分子吸收光谱的线宽和线型【2 3 l 的存在，是因为分子吸收线的光谱频率严格说 并不是单色的，即当使用分辨率极高的分光仪器，所观察到的吸收强度，仍是以 。= 鱼亏予为中心的光谱分布，如图2 2 所示， v o 附近的函数，( 。) 为谱线的 线型。在强度下降到一半时，所对应的频率问隔d = 0 2 一0 1 ，称为谱线的全半 值斑度，简称谱线线宽或谱线半宽( h w h m ) 。 v 1v ov 2 v 图2 - 2 吸收线线型、线宽示意图 线型依赖于压力，在高压下，是碰撞展宽，其线型为洛伦兹线型： 吖咖去面桶 亿9 ， 其中，) ，为洛伦兹半宽，是谱线的中心频率。) ，二随着压力尸和温度丁的变化 为： 基丁t d l a s 的分布式光纤瓦斯监测系统研究 九= y l o ( p p o ) ( t ol t ) 1 他 舢) ) ，o 是在标准状况下) ，( 乃，尸i ，) 的值。 当采样的压力降低时，线宽开始减小。当压力减小到几个毫巴时，是多普勒 展宽，其线型为高斯线型： o d ( 。) ：上 ( 1 n 2 ) 万 1 2e x p 一竺半】 厂d 7 d f 2 1 1 ) 其中，为多普勒半宽： 7 。= 2 k t ( 1 n 2 ) m 】l 2 0 0 c 伽) m 7 是分子质量，c 为光速。 对于t d l a s 来说，最适合的采样压力选择应该是灵敏度( 在高压下最好) 和 选择性( 在低压下最好) 的一个折中考虑。随着采样压力从大气压力逐渐减小，直 到洛伦兹线宽和多普勒线宽相当( 一般在1 0 , - - - 5 0 毫巴) 时，其灵敏度并没有迅速 下降，在这个压力范围t d l a s 系统工作正常，在这样的压力范围内线型为洛仑 兹线型和多普勒线型的卷积，称之为福依特( v o i g t ) 线型【2 4 1 ，它可以用一个复 杂的函数表示，但因为函数非常复杂，难以计算，所以为方便起见，可以用一个 w h i t i n g 给出的一个近似的表达式来表示： m 矿( d ) 2 ，( d o ) ( 1 一x ) e x p ( 一o 6 9 3 y 2 ) + x ( 1 + y 2 ) + o 016 ( 1 一x ) x e x p ( - o 0 814 y 2 2 5 ) 一1 ( 1 + o 0 21 y 2 2 5 ) ( 2 1 3 ) 这里x2 ) ，l y v ，y2 l d d o i ) ，r ，) ，矿是v o i g t 线型的半宽，可近似地表示： ) ，矿20 5 3 4 6 y + ( o 2 1 6 2 + ) d 2 ) ( 2 1 4 ) 福依特吸收线在其中心处的值可确定如下： ( d o ) 2l 2 7 v ( 1 0 6 5 + 0 4 4 7 x + 0 0 5 8 x 2 ) 】 r 2 1 5 ) 在高压下o = 1 ) ，福依特线型变为洛仑兹线型，而在低压下 = 0 ) ，它变为多 普勒线型，因此它是线型的一般形式。如图2 3 所示为以上所述三种线型的谱线。 笺三重里塑塑兰量壁塑堂堕些堂堡堕型 2 1 3 甲烷的吸收线 目 lo 频$ 移 图2 3 洛伦兹、岛斯和梢依特线刑比较 根掘h i t r a n 数据库口5 】可知，甲烷分子具有4 个基频振动带：v l = 2 9 1 70 e r a ( 34 3 3 u m ) ，”2 = 1 5 3 4 c m 。1 ( 65 2 2 u m ) ，= 3 0 1 9 c m 。( 33 1 2 u r n ) ，v 4 = 1 3 0 6 c n l - i r 76 5 8 u m l 如图2 - 4 所示，在3 4 3 3 u m 她的”l 和3 3 1 2 u r n 处的”3 、以及 7 6 5 8 u m 处的v 。吸收带，其吸收线线强为1 0 。1 9 量级。 图2 - 4 中缸外区的甲烷吸【| 5 线 而甲烷分子在泛频带2 ”3 和组台带v 2 + 2 ”的波长分别在i6 u m 和l3 u m , 处如 图2 5 所示，其吸收线线强分别为1 旷2 。和1 0 2 2 量级，在l1u m 到20 “m 波长范围 咄 了 ： ” q “ 口p x 基rt d l a s 的分布式光纤瓦斯监测系统研究 u - _ 一j l l j k - - 一捌。“。一 豳2 - 5 近红外区的甲烷吸收线 内。甲烷在1 6 5um 附近有最大的吸收峰，从图2 5 右上角的放大图中可知，甲烷 在1 6 5 37 2n m 波长附近r ( 3 ) 支转动跃迁包含了三条相距非常近的吸收线它们分 布在小于00 i r m a 波长范围之内，可以认为它们是线强为三条吸收线线强之和的一 条吸收线。在吸收线两侧各05m n 范围内没有其它气体( 如：水汽，二氧化碳， 氨气等) 的强吸收线，该吸收线的线强比该范围内其它气体的吸收线要强6 5 0 0 倍以上，完全可以避免空气中其它气体的干扰。 虽然甲烷气体的红外强吸收带在3 3 u r n 跗近，但由于目前工作在这一波段的 铅盐半导体激光器需要低温制冷、价格昂贵，所以选用甲烷气体的次强吸收带 1 6 5 u m 进行坝幔1 0 1 1 c 州分子的吸收线强完全满足了煤矿瓦斯监测灵敏度的需 要而且可以采购用于光通讯的商品化d f b 激光器。半导体激光器最突出的特 点是在室温或接近室温下使用，由于通讯和消费电子领域的广泛使用使器件具有 极高的性能价格比，与此同时相关的光学和电子元件也达n t 廉价、小型化和 商品化，因此将激光检擦嫩术应用煤矿安全监控已经成为可能。 2 2 可调谐半导体激光吸收光谱技术 t d l a s 技术中最关键的是可调谐半导体激光器的窄线宽和可调谐特性，可 调谐半导体激光器的线宽通常为几十a 珊 ，这使得t d l a s 可以通过扫描分子的 单根吸收线实现气体浓度的探测。 根据l a m b e d - - b e e r 吸收定律，激光嚣发出强度为，。，频率为u 的单色撤光 通过长度为的吸收介质后，在接收端铡得的强度为 l ( v ) = 1 0 ( u ) “p ( 一o ( o ) n l )( 2 1 6 ) 第二章可调谐半导体激光吸收光谱原理 度。 其中为样品池的光路长度，盯( u ) 是吸收截面，为吸收气体的分子数浓 2 2 1 直接吸收光谱方法 测量t d l a s 系统的直接吸收光谱，有两种工作方式：一是将激光器的波长 固定在吸收线的中心，测量该位置处吸收介质对光的吸收强度；另外一种方式是， 通过连续改变激光器的波长扫描一条吸收线，并且应用信号平均器对多次扫描吸 收光谱进行累加平均，从而得到一条谱线。在理论上，第一种方法能够得到更高 的灵敏度，因为在给定的带宽内，它给出了最大信号点上的最大影n 向因子，但这 种方法容易受到环境条件的影响，如在温度改变的时候，吸收线的中心频率可能 也将发生改变，这将造成一定的测量误差。第二种方法更有其优点，因为测量一 条完整的谱线，谱线的特征可以被清楚的看到，这样能够清楚地看到是否存在干 扰或者是标准具条纹等。利用先进的数据处理方法，就能够克服固定波长技术中 难以避免的系统误差对测量的影响。这些误差包括了标准具条纹、随着时问漂移 而产生的剩余幅度调制和其它在附近的吸收线的影响等。 图2 6 为典型的直接吸收测量方法的示意图。 激光器 圃， 彳 电流t | ：_ - l t l i 缈 分粜器 圜 - 标准具 国探测器 图2 - 6 直接吸收测餐方法示意图 探测器 圃 典型的直接吸收法分析过程为：通过锯齿扫描信号改变激光器的注入电流来 对激光器的波长进行调谐，激光被分束片分成两束，其中一束直接通过测量的气 体介质，被探测器检测，由于气体的吸收，它的强度如图2 7 a 所示，通过对谱 线上没有气体吸收的区域进行低阶的多项式拟合，可以得到近似的初始激光强 度，由这两个强度能够得到随n - t f , j 变化的吸光度，要反演气体的浓度，需要把吸 光度转换到频域，因此将另外一束激光通过标准具，其强度被测量( 1 l2 - 7 b ) ， 基丁t d l a s 的分布式光纤瓦斯监测系统研究 标准具谱线的峰一峰值之间的距离在光学频域是一个常量，也就是标准具的自由 谱线范n ( f s r ) ，因此，标准具的谱线反应了激光的频率与时间的关系，利用这 种关系可以把吸光度转换到频域，得到频域上的吸收谱线( 图2 8 ) ，然后用理论 上的跃迁线型去拟合这条谱线，就能够得到气体的浓度。 图2 7 两束激光分别通过气体介质和标准具后测得的信号 图2 - 8 频域f 直接吸收光谱的拟合及残筹图 直接吸收方法简单，不需要浓度标定就可以直接得到其浓度；但灵敏度低，难以 满足低浓度的痕量气体检测的要求。 2 2 2 自平衡检测技术 图2 - 9 是自平衡检测电路原理图，电路原理简单，易于实现。自平衡检测方 法包含两路输入，其中路为经过测量气体的信号光束p s ，g n a l ，对应探测器信号 为 s i g n a l 另外一路为不经过吸收气体的参考光束尸砂对应探测器信号为锄 第二童可调诣半导体激光吸收光谱原理 如图2 - 9 所示，自平衡检测电路自带电子增盏补偿机制，低频反馈回路中的电压 信号积分后作为自平衡r 巳路的误差信号，再山减法电路自动将两个通道共钉的噪 声信号消除这样输出信号就将与吸收无关的丈幅度自流音| ：分扣除掉，甜下的足 反映微小的吸收信号，而n 枷关的背景噪声、探测器噪声和激光器光强波动引起 的噪声也得到了抑制。 自平衡 - 、( c 豳2 9 口平衡检测电路原理幽 从图2 9 可看出，检测电路的输晰信号可以在信号输出和埘数输出之蚓进行 选择，信号输出直接吸收光渚检测信号对数输 l 自、r 衡榆测信号的对数值。对 数输出可表示为： i 。f ! 二! 一n f 。m ( 2 1 7 ) 实验中参考光与信号光光强比值对自平衡效果影响很人实验证明参考光和信号 光功率比为2 左右时能够得到具有较高信噪比的吸收信号。 2 2 3 波长调制技术 直接吸收的方法受到激光器、探测器、电路等低频噪声的影响，为了提高检 测灵敏度，发展了波长调制光谱技术1 2 ”。t d l a s 技术中用到了波长调制光谱技 术，它有两个方面的优点，首先它产生个与痕量气体浓度直接成比例的谐波信 号，而不像传统吸收测量方法那样，在大的信号上测量小的变化。这样减少了不 稳定性，提高了检测灵敏度。另外，这种技术还可以实现在激光嚷声被大大缩减 基y - t d l a s 的分布式光纤瓦斯监洲系统研究 的频率上检测信号。 当激光的中心频 o c 受到频率为万的调制波调制时，其瞬时频率可以表示 为： d = 移c + d v c o s g t ( 2 1 8 ) 上式中，如是调制幅度( 典型值与吸收线宽一个量级) 。这里调制频率用 五( 一般低于5 0 k h z ) 表示，以便与光学频率d 区分。光通过样品池吸收后的强度 可以用l ( v 。) 的余弦傅立叶级数来表示： i ( v 。，f ) = 彳。( 扩) c o s ( n 面t ) n = o 【2 1 9 ) 每个谐波分量- 4 , 可以通过锁相放大器测得： 以( 址) = 昙r 厶( 眈+ 如c o 始) e x p - - o ( g + 面c o s o ) n l c o s n o d 目( 2 2 。) 上式中0 = 万f 。 在理想情况下，i o 不是频率d 的函数，这就意味着，在不改变，o 的情况下， 可以扫描得到吸收线，同时，调制不会给，o 带来幅度调制成分。在这种情况下， 公式( 2 2 0 ) 耻a 变为： 么。( 。f ) = i 2 i o j ：e x p 【一( 。+ 6 姗s o ) n l c 蝴伽( 2 2 1 ) 我们知道，e 指数函数e x 具有一个性质，当指数侧 1 时， e 工l h ( 2 2 2 ) 根据公式( 2 2 2 ) ，当检测的样品池中