（通信与信息系统专业论文）红外光谱吸收型光纤一氧化碳传感器的研究.pdf

摘要 一氧化碳( c o ) 是一种有毒的可燃可爆性气体，它给工业安全生产带来巨 大危害。为了实现对c o 的检测，装设可燃气体检测器，及时发现事故隐患、尽 早采取补救措施是非常必要的。采用红外技术检测c o 不但克服了以往检测方法 的不足，而且还具有选择性好、连续分析、响应速度快等优点，更能适用于矿井 气体的检测环境，因此将红外技术应用于矿井c o 的检测具有重要的意义和良好 的应用前景。 本论文利用气体近红外光谱吸收原理，设计了一种光纤气体传感器。以一氧 化碳为目标气体，确定了气体的吸收谱线，找出了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 ) 做光源， 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 由光源不稳定等因素所引起的误差。 本论文所做的主要工作包括： 1 光谱吸收式光纤气体传感器检测原理的研究。分析了正弦波和三角波调 制的谐波检测方法，并对两种方法进行了比较。同时简要介绍了光源调 制技术。 2 确定c o 气体的吸收峰，并在选择好波长和测量方法的基础上，选择d f b l d 作为光源，i n g a a sp i n 光电二极管作为探测器。 3 在理论分析的基础上，设计出基于d f bl d 光源的光纤气体传感器系统。 在电路设计上采用锁相放大器来获取微弱信号，最大程度的抑制噪声， 提高系统的信噪比。 4 以c o 为目标气体，初步得到气体浓度的检测曲线，验证了检测方法， 为后续研究提供了参考数据。 5 d f bl d 光源的外壳温度和内核温度的控制非常重要，这将直接影响光 源的输出中心波长。改进了温控模块的设计。 关键词：光纤气体传感器，光谱吸收，谐波检测 a b s t r a c t c a r b o nm o n o x i d ei sa p o i s o n o u sg a sw h i c hi sf l a m m a b l ea n de x p l o s i v e ，i tb r i n g s ag r e a td a m a g et oi n d u s t r y s a f e t yp r o d u c t i o n i no r d e rt or e a l i z et h ec od e t e c t i o n ， e q u i paf l a m m a b l eg a ss e n s o r , f i n dt h ed a n g e ro fa c c i d e n ti m m e d i a t e l y , t a k eas a v i n g m e a s u r e m e n ti sv e r ye s s e n t i a l w eu s ei n f r a r e d t e c h n i q u et od e t e c tc o ，n o to n l y o v e r c o m et h es h o r t a g eo fu s u a ld e t e c tm e a s u r e m e n t ，b u ta l s oh a v em a n yv i r t u e ss u c h a sg o o ds e l e c t i v i t y , c o n t i n u o u sa n a l y s i sa n dq u i c k r e s p o n s e ，i ti sm o r es u i t a b l et ot h e m i n ee n v i r o n m e n t ，s ou s i n gt h ei n f r a r e dt e c h n i q u et ot h ec od e t e c t i o nh a sa n i m p o r t a n tm e a n i n ga n dag o o da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d i nt h i st h e s i s ，w eu s et h es p e c t r u ma b s o r p t i o nm e t h o d ，d e s i g nak i n do ff i b e r o p t i cs e n s o r w eu s et h ec oa st h ee x p e r i m e n tg a s ，c o n f i r mt h es p e c t r a la b s o r p t i o n ， a n df i n do u tt 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 ha r ef i tf o rl o w 1 0 s st r a n s m i s s i o nw i n d o w o fo p t i cf i b e r 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 ( d f bl d ) i su s e da sa l i g h ts o u r c e a 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 s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h e r a t i oo 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 s o u t p u tf o r e l i m i n a t i n gt h ei n t e r f e r e n c eo w i n gt ot h el i g h tp o w e rc h a n g i n g t h em a i nw o r k so ft h i st h e s i si n c l u d e ： 1 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 s s e n s o r a n a l y s i s s i n ew a v ea n d t r i a n g l e w a v em o d u l a t i o nh a r m o n i c m e a s u r e m e n ta n dc o m p a r et h et w ow a y s a tl a s t ，s i m p l yi n t r o d u c et h e t e c h n o l o g yo fs o u r c em o d u l a t e 2 s e l e c tc oa b s o r p t i o na p e x ，c h o o s ed f bl da st h el i g h ts o u r c e ，i n g a a sp i n p h o t o d i o d ea st h ed e t e c t o r , b a s e do nt h ew a v e l e n g t ha n dm e a s u r i n gm e t h o d t h a ta r es e l e c t e d 3 a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w ed e s i g nao p t i c a lf i b e rs e n s o rs y s t e m b a s e do nd f bl d t h ef e e b l es i g n a li so b t a i n e db yp h a s el o c k e da m p l i f i e r t h en o i s ew i l lb er e s t r a i n e di nm a x i m u md e g r e e ，a n dt h er a t i oo fs i g n a lt o n o i s ew i l lb er a i s e d 4 u s i n gt h ec oa s t h e s a m p l eg a s ，d os o m ee x p e r i m e n t s a n dg e tt h e c o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n tc u r v e s ，v a l u a t et h es y s t e m ，a n ds u p p l ys o m ed a t a f o rt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h 5 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 sw o r k i n gt e m p e r a t u r e ，b e c a u s et h e c h a n g i n go fd f bl ds u r f a c ea n dk e r n e lt e m p e r a t u r e sw i l la f f e c tt h el i g h t i i s o u r c e sc e n t r ew a v e l e n g t 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 r , 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 i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盟导师签名： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 一氧化碳( c o ) 是一种有毒的可燃可爆性气体，它给工业安全生产带来巨 大危害。在化工生产中，c o 是一种有毒的危机工人生命安全的副产品。c o 也 是钢铁冶金工业生产中的有毒气体，在冶金企业的焦炉、高炉、铁合金矿热炉等 冶炼生产中都有大量c o 产生。在火灾的早期预测预报中，c o 也被确定为检测 的重要气体之一：在日常生活中，c o 是智能家居系统、大气环境污染监测等重 要的参数指标。为了实现对c o 的检测，装设可燃气体检测器，及时发现事故隐 患、尽早采取补救措施是非常必要的。保证工业安全生产、工作和生活环境的空 气质量而进行的有害气体浓度检测时非常复杂而重要的课题。以往采用检测管、 电化学式和载体催化元件等方法，有测量精度低、容易中毒老化、检测范围小、 寿命短等缺点。采用红外技术检测c o 不但克服了以往检测方法的不足，而且还 具有选择性好、连续分析、响应速度快等优点，这些优点除了适用于地面气体检 测外，更能适用于矿井气体的检测环境，因此将红外技术应用于矿井c o 的检测 具有重要的意义和良好的应用前景【1 , 3 2 】。 1 2 气体检测的基本方法 气体检测方法有电化学方法、光学方法、电气方法、气相色谱法等许多种。 电气法是利用气敏器件检测气体，主要用半导体气敏器件，它适合于自动、连续 过程检测，目前应用广泛。电化学法是利用电化学方法，使用电极与电解液对气 体进行检测。光学法是利用气体的光折射率或光吸收等特性检测气体。下面论述 几种重要方法的特点【2 7 1 。 1 2 1 气相色谱法 色谱法( c h r o m a t o g r a p h y ) 与蒸馏、重结晶、溶剂萃取、化学沉淀及电解沉积 法一样，也是一种分离技术。它是各种分离技术中效率最高和应用最广的一种方 法。把用吸附剂使物质组分按吸附能力的强弱层析在吸附剂( 色谱柱) 上的过程 都称之为色谱法。将填入玻璃管内静止不动的一相( 固体或液体) 称为固定相， 自上而下运动的一相( 一般是气体或液体) 称为流动相，装有固定相的管子称为 武汉理工大学硕士学位论文 色谱柱( 玻璃或不锈钢) 。多组分物质的层析过程是在流动相( 多组分物质的载 体) 和固定相的相对循环过程中完成的。当流动相为气体时，称之为气相色谱法。 流动相不仅仅是样气的载体，同时也是一种吸附剂，即样气中的各组分被固定相 吸附后，流动相在相对固定相作相对运动过程中，各组分将按吸附能力的强弱被 先后解吸出来，然后根据不同分子在运动过程中所吸收的热量不同进行测量。 1 2 2 光谱法 光谱吸收法是通过检测气体透射光强或反射光强的变化来检测气体浓度的 方法。每种气体分子都有自己的吸收( 或辐射) 谱特征，光源的发射谱只有在与 气体吸收谱重叠的部分才产生吸收，吸收后的光强将发生变化。从谱范围上可划 分为红外光谱吸收法，和紫外光谱吸收法u 一 当一束光强为j 。输入光的平行光通过充有气体的气室时，如果光源光谱覆盖 一个或多个气体吸收线，光通过气体时发生衰减，根据b e e r - l a m b e r t 定律，输出 光强l ( x ) 与输入光强i 。q ) 和气体浓度之间的关系为： ，q ) 一i o ( a ) e x p ( - a a t c ) ( 1 - 1 ) 式中口。是一定波长下单位浓度、单位长度的介质吸收系数；l 是吸收路径 的长度；c 是气体浓度。由式( 1 1 ) 口- f i - 得 c 。l l n i o ( z )( 1 2 ) 口a l( a ) 式( 1 2 ) 表明，如果l 与口a 已知，通过检测，( a ) 和，。q ) 就可以测得气体 的浓度。这就是光谱吸收方法检测气体浓度的基本原理。 这种方法可以对大多数的气体浓度进行较高精度的测量，吸收型气体传感器 的一大优点是具有简单可靠的气室结构，而且只要调换光源就可以用同样的系统 来检测不同浓度的气体。 1 2 3 半导体气体传感器 半导体气体传感器是利用气敏元件同气体接触，使半导体的性质发生变化， 以此来检测特定气体的成分或浓度。优点是可以在低浓度区仍对可燃性气体和某 些毒性气体( 甲烷) 有较高的检测灵敏度，体积小，结构简单，成本低，使用方 便。 ( 1 ) 电导式传感器。传感器保持一定的温度，当待测气体接触传感元件后， 在传感元件表面形成吸附，使其电导率发生变化。待测气体浓度与传感元件的电 阻值之间有一定的关系，因此可对气体浓度加以检测。此类传感器主要用来对可 2 武汉理工大学硕士学位论文 燃性气体浓度和低浓度毒气的检测，高浓度范围测量精度不高，受周围环境影响 大。 ( 2 ) 热导式传感器。传感元件( 金属氧化物) 吸附气体后，电导率和热导 率变化，使传感元件的温度变化，由此来检测气体的浓度。此类传感器稳定性好， 通常组成惠斯登电桥来检测。 ( 3 ) 氧化锡气体传感器。氧化锡掺杂不同，则可检测不同的气体。利用氧 化锡烧结体吸附还原气体时电阻值减小的特性，可检测还原气体是否存在，同时 可实现可燃性气体( 如c h 4 ，c o 等) 的漏气报警。 ( 4 ) 氧化锌气体传感器。也可通过掺杂改变，来检测不同的气体。 ( 5 ) 氧化铁气体传感器。它是近几年发展起来的新型气体传感器。由于不 用催化剂，故检测灵敏度有所提高。 1 3 气体传感技术现状及存在问题 表1 - 1 是当前大气环境常见有害气体的检测方法。它表明有害气体的检测基 本上都采用谱吸收( i ，和u ，) 和离子选择电极i s e ( i o n s e l e c t i v e e l e c t r o d e ) 法 ( i s e 就是前面提到的吸附敏感体) 。谱吸收法和化学传感器在两个不相关的方 向上并行发展，谱吸收法的发展和新光源、光纤及新光学器件等的研究成果联系 在一起，而化学传感器则在新材料和新工艺上不断取得进步。在新材料上，尤其 以半导体气体传感器发展最为迅速瞰刀。 表卜l 部分气体浓度检测方法 气体 s 0 2n o xc 0 2d 2h 2 s h c l n h 3 检测 i ，u 。， l ri ，i s eu ， i s el s ei s e 方法导电率热传导气相色谱 表1 2 列出了一些国外研究的对气体敏感的半导体氧化物材料。在工艺上采 用集成化技术，使敏感器件小型化、实用化。其中一种重要的工艺是将i s e 做成 场效应管的栅极以直接控制场效应f e t 的输出，即i s e f e t 技术。尽管半导体气 敏器件在工艺、材料上取得了重大发展，但仍存在一系列问题妨碍其实用化，主 要包括敏感器件的长期可靠性( 解吸和污染) 和稳定性( 老化等) 、气体选择性 和灵敏度。 3 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - 2 半导体氧化物材料及其敏感的气体成分 基础材料 互d 2c d dc 月3 d 4三。c ，d 3c ：d 3z 。o 掺杂成分 k d 5m ，o | s ，0只，只c 。d 检测气体0 ：，h cd 2 c o d 2 c o ，h c c o ，0 2 表1 3 表示的是基于各种原理的气体传感器功能比较。从气体传感性能上来 看，基于光度技术的气体传感器要优越的多，但传统的光度技术用于检测气体时 遇到的困难主要是成本、连续运转时间、灵敏度和一些不稳定因素。光度技术最 理想的光源是连续波长c w ( c o n t i n u o u sw a v e l e n g t h ) 光源或大功率激光器件，但 这些光源价格昂贵且由于功耗大，一般不能长时间的连续运转或实时在线监测， 这就要求采用其它技术方案。光度技术中的不稳定因素主要来自光功率变化和光 频漂移。光功率的变化可以通过双光束或双波长的方法来消除，光频的稳频技术 在不断发展，采用稳频技术后会增加系统的复杂性和成本，这样反过来又制约了 这种技术的应用。在光度技术中，由于直流检测不能有效消除白噪声，检测灵敏 度受到限制。 表卜3 气体传感器性能比较 名称原理精度 零漂稳定性选择性寿命 半导体气体吸附差大差差短 载体催化热效应好中中差6 个月 电化学化学反应好小好中短 光度技术气体吸收好小好好长 基于以上原因，国内外大多数科研机构和单位在分析气体成分和浓度时都采 用现场取样，实验室气相色谱分析的方法。 1 4 光纤气体传感器 光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。在光通信系统中， 光纤被用作远距离传输光波信号的媒质。在这类应用中，光纤传输的光信号受外 界干扰越小越好。但是，在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因素影响， 如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波参数如光强、相位、频 率、偏振、波长等的变化。因此，人们发现如果能测出光波参数的变化，就可以 知道导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。 4 武汉理工大学硕士学位论文 光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。功能型光纤传感器是利用 光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，所以也称传感型光纤传感器，或全光纤传 感器。非功能型光纤传感器是利用其它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，所以也称为传光型传感器或 混合型传感器。 光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器、相位调 制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长( 颜色) 调制 光纤传感器【3 6 j 。 在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述： e e oc o s ( w t + 妒) ( 1 - 3 ) 式中，光波振幅，为频率，驴为初相角。 上式包含五个参数，即强度毛、频率、波长九= 锄c 、相位耐+ 和 偏振态，被测量在敏感头内与光发生相互作用，如果作用的结果是改变了光的强 度，就称为强度调制光纤传感器，依次类推对如果作用结果改变了其它的参数， 就得到了其它四种调制类型的光纤传感器( 频率调制、波长调制、相位调制、偏 振态调制) 。 光纤传感器按照被测对象的不同、又可分为光纤温度传感器、光纤位移传感 器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等。 光纤传感技术经过几十年的发展过程，已形成一个巨大的传感器家族。比较 成功的研究成果主要集中在温度、压力、振动、应变、电流磁场、电压电场、流 速、转速、角度、位移和气体浓度等物理量的测量上。 1 4 1 光纤气体传感器的基本类型 一般用于气体测量的光纤传感器主要是基于与气体物理或化学特性相关的 光学现象或特性。根据光纤在气体传感技术中的传感原理的不同，可以将光纤气 体传感器分为内作用型光纤气体传感器和外作用型光纤气体传感器两种。用于气 体测量的光纤技术相当丰富，各种光纤气体测量装置种类很多，这里仅介绍几种 常用的光纤气体传感方法。 ( 1 ) 吸收式光纤气体传感器。吸收式光纤气体传感是利用气体在石英光纤 低损耗窗口( o 8 a n 一1 7 朋) 内的吸收峰进行测量，由气体吸收产生的光强衰 减得到气体的浓度。所依据的基本原理是b e e r - l a m b e r t 定律。常见的气体c o 、 c ：h ：、c h 。、c o ：等在石英光纤低损耗窗口都有泛频吸收线，在这一波段发光 器件和接收器件都是比较理想的电光和光电转换器件，用这种方法可以对大多数 气体浓度进行较高精度的测量。 5 武汉理工大学硕士学位论文 气室的结构简单可靠是吸收式光纤气体传感器的一大特点，而且只需要调换 光源和探测装置，对准其他的吸收谱线，就可以用同样的系统检测不同的气体。 光谱吸收型气体传感器是研究最多的一类气体传感器，它采用普通的多模光纤。 ( 2 ) 染料指示剂型光纤气体传感器。某些气体在石英光纤的低损耗窗口没 有较强的吸收峰，或者虽有吸收峰，但是相应波长的光源或探测器目前还没有或 者是价格太昂贵。这些气体有可能与某种染料指示剂发生化学反应，染料的光学 性质发生变化，通过测量这种变化，可以得到被测气体的浓度信息。最常用的染 料指示剂型光纤气体传感器是p h 值传感器，某些染料指示剂( 如石蕊或酚红试 纸) 的颜色会随着p h 值的变化而变化，引起对光的吸收的变化。通过测量该气 体浓度变化引起的p h 值的变化，分析气体的浓度信息，如氮气、二氧化碳等气 体的浓度可以通过测量相应溶液的p h 值来确定。这种类型的传感器结构简单、 体积小，缺点是鉴别能力差。 ( 3 ) 折射率( 光程) 变化型光纤气体传感器。利用某些材料的体积或折射 率对气体敏感特性用这种材料作光纤的包层或把这种材料涂附于光纤的表面，通 过测量折射率变化引起的光纤波导参数( 如有效折射率、一双折射和损耗) 的变化， 可用光强检测或干涉测量手段可以得到气体浓度的信息。原理上是利用气体引起 的折射率或光程的变化引起干涉，形成如m i c h e l s o n 干涉仪、m a c h z e h n d e r 干涉 仪等，通过测量干涉仪输出的光强度的变化来得到气体的浓度。这类光纤气体传 感器结构简单、成本低廉，但是由于镀膜技术的限制和膜易受污染的问题很难解 决，限制了这种技术的发展。 ( 4 ) 渐逝场型光纤气体传感器。渐逝场型光纤气体传感器是利用光纤界面 附近的渐逝场被气体吸收峰衰减来测量气体浓度的变化。从本质上说，可以认为 是一种特殊的光纤光谱吸收型传感器。它是一种功能型的光纤传感器，对于光纤 中的传播模，可以认为光在纤芯和包层的界面上发生全反射。这是在包层中出现 渐逝场，它的电场振幅随着离光纤纤芯的距离的增大作指数衰减。 1 4 2 吸收型光纤气体传感器的国内外研究现状 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【2 0 , 2 1 】。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 n 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。1 9 8 1 年，他们又报道了光纤二 氧化氮气体的检测实验。利用二氧化氮在4 0 0 n m 和8 0 0 n 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， 6 武汉理工大学硕士学位论文 对甲烷在1 3 3 1 2 n m 附近的q 线进行检测，在这一系统中的气室长度为0 5 m ，传输 光纤为1 0 k m 长的多模光纤，接受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 o 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 n m 处的谐 波吸收峰，采用同样的系统，由于在1 6 6 5 4 n m 处的谐波吸收峰吸收强度较 1 3 3 1 2 n m 处大一倍，因此系统最小探测灵敏度提高了一倍。另外，该研究所也对 一些可燃易爆的有机分子气体如c ，h 。、c ：日：、c ：日。和c 。h 。o 的光纤远程测量 进行了实验。 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妆滤波器和宽带光源 ( 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梳妆吸收峰的 气体。 八十年代末到九十年代初，一系列传感用的分布反馈式( d f b ) 激光器已研 制出来，光纤气体传感精度又有了提高。1 9 8 8 年，a m o h e b a t i 和t a k i n g 用1 3 3 a n 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，室温下可以测 量最小灵敏度可达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 a n 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。 在窄带源用于气体传感取得高灵敏度的同时，宽带光源系统也有一些突破。 1 9 9 3 年，靳伟博士和g s t e w a r t 报道了用宽带光源结合可调梳状滤波器的波长调 制谐波检测技术。通过对甲烷气体的检测，最小探测灵敏度为2 0 p p m ，达到热光 光源的理论极限。 此时，为了光纤气体传感技术的工程应用，人们更加关注气体传感的噪声分 析。通过对谐波检测技术的分析，有人提出了优化谐波检测技术参数的方法。但 是过高的成本，使得光纤气体传感技术难以应用到工业中去。人们开始研究如何 利用光纤巨大的带宽和易于成网的特性进行多点光纤气体传感【1 7 , 1 8 】。 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【3 7 ，4 1 1 。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做出了理论预测。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 7 武汉理工大学硕士学位论文 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，测量数日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。 我国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，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。 1 9 8 9 年，西安光机所等在应用光学杂志上介绍了差分光谱光纤气体传传感器 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，提出根据传感器的技术指标确定其基本参数的方法。 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【1 5 1 。 2 0 0 1 年，吉林大学的王一丁等基于朗伯一比尔吸收定律，设计了具有新型光 路和电路结构的便携式红外c h 。气体检测仪【1 4 】。 1 5 课题的目的、意义及主要研究内容 对于甲烷、c o 等气体的检测在环境监测、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，抗干扰能力差。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，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。 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，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；重点对c o 气体的检 测进行了研究，通过实验考察其性能指标：测量范围、检测精度、稳定性、线性 度等。 本论文的研究内容为： 1 、气体光谱吸收原理的研究以及光源的选择：选择d f bl d 作为光源，设 计出实验方案，即基于d f bl d 光源的光纤气体传感器。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 、基于d f bl d 光纤气体传感器的系统构建，系统微弱信号检测电路设计、 计算机数据采集和数据处理技术。 3 、以c o 气体为例，进行实验研究初步得到c o 气体的浓度检测曲线。 4 、实验数据处理以及传感器的特性分析。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第二章光纤气体传感器基本原理及方法研究 2 1 气体光谱吸收原理 每一种气体都有固有的吸收光谱，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。表2 - 1 为几种常见气体吸收光谱的特征吸收峰波长 【1 7 l o 表2 一l一些气体在近红外波段的特征吸收峰波长 气体种类气体吸收峰波长( 近红外波段) 可能的污染来源 氧气d ， 0 7 6 1 o n 二氧化碳c o ： 1 5 7 3 a n发动机废气，发电厂废气 甲烷c h 。1 6 6 5 , u r n煤矿煤层气体 水蒸气日：d 1 3 6 5 , t a n 二氧化氮n o ：0 8 0 a n工业废气 一氧化碳c o 1 5 6 7 o n发动机废气，发电厂废气 乙炔c 2 h 2 1 5 3 0 o n发动机废气，可燃易爆气体 硫化氢h ：s 1 5 7 8 a n 工业废气 氨气n h 3 1 5 4 4 a n 工业废气 当一束光强为，。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，与入射光强，。和气体的体积分数之间的关系为式 ( 2 1 ) ： i ；i oe x p - a ( v ) c l 】 式中，口( v ) 为气体吸收系数，即气体在一定频率v 处的吸收线型； 的长度；c 为气体的浓度。 对( 2 - 1 ) 式进行变换可得( 2 2 ) 式： ，1 l n t ( t ) o 】 o 一一 a ( v ) l ( 2 1 ) 为吸收路径 ( 2 2 ) 从式( 2 2 ) 可知，如果l 、a ( v ) 已知，那么通过检测，o ) 、，。就可以得到气 体的体积分数c 。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 2c o 吸收区间分析 当被检测物质组分的吸收谱带重叠时，不但会造成气体谱带重叠干扰，同时 也增加了物理测量的误差。当物质的红外吸收谱线为单峰时则没有这个问题。分 析c o 的红外吸收谱线，首先对整个区间的透射比进行分析，然后确定吸收峰。 如何选择不同组分所对应的“吸收峰 主要遵循两个基本原则：一是所选择的“吸 收峰”尽可能不要重叠；二是所选择的“吸收峰”强度要适中，既能准确地度量 出低浓度，又不至于在较高浓度时饱和。 图2 - 1 为实验测定的c o 在波长2 0 。1 5 t m 内的红外吸收光谱图【3 6 1 。 图2 - 1c o 在中远红外区域吸收光谱图 同时，我们根据h i t r a n 数据库，可以看到c o 气体在1 5 6 7 n m 附近有多个 吸收谱线，如图2 2 所示。 6 甜41 1 3 粥0 3 为”0 3 1 1 柏0 3 8 0 8 10 3 8 2 0 3 辨 w a venumbe rs c m - 1 图2 2c o 气体在1 5 6 6 n m 1 5 6 9 n m 吸收谱线 由以上两图可知，c o 气体在中远红外区域( 2 5 - 1 0 0 0 p m ) 中的4 6 5 , u m 处 武汉理工大学硕士学位论文 和近红外区域( 0 7 6 2 5 z m ) 中的1 5 6 7 z m 处都有吸收峰。在中远红外区域，c o 的吸收主要是基频吸收，特点是在4 6 5 z m 处吸收特别强烈，表现在红外吸收谱 图上是强烈的吸收峰，缺点是因为吸收太突出，很容易受到外界的干扰，给测量 结果带来很大的不确定性，而且对光源要求比较高，吸收区域没有处在光纤的低 损耗窗口，信号不能用廉价的光纤传输；近红外区域c o 主要是倍频吸收，吸收 比较弱，体现在光谱图上是比较平缓的吸收峰，外界的干扰不会对在这一波段的 气体吸收造成很大影响，而且在这一波段上，可以用廉价的l e d ( 发光二极管) 光源得到光信号，用光纤传输信号。因此，本研究选择波长为1 5 6 7 n m 的光源。 2 3 基于d f bl d 光源的光纤气体传感器 a 其中： d f bl d 光源气室光电转换光纤( 粗线为光纤) a 为待处 理的电信号 图2 3 基于d f bl d 光源的光纤气体传感器的基本原理图 基于d f bl d 光源的光纤气体传感器的基本原理图如图2 3 所示，d f bl d 光源发出的光经过光纤传播进入气室，气室中含有需要检测的气体，光通过气室 时发生衰减，且光强减弱程度与被测气体浓度有关，从气室出来的光信号通过光 电转换电路转换成电信号，该电信号包含了气体浓度信息，通过检测该电信号就 可得出气体的浓度【1 8 】。 d f bl d 光源的发光波长必须与被测气体的吸收谱线严格匹配，因此必须具 有与被测气体相匹配的d f bl d 光源才能检测该气体，这样就限制了一些气体的 检测。 此方案的优点在于：光路简单，成本较低，检测精度高，稳定性好。缺点在 于：检测某种气体必须要有与之匹配的d f bl d 光源，某些气体由于缺乏与之匹 配的激光光源因而无法测得，且不能实现多种气体的同时测量。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 吸收路径长度对传感器测量灵敏度的影响 灵敏度是指传感器的输出增量与被测输入量增量之比，即 s a y 6 x ( 2 - 3 ) 在本系统中为出射光强变化与气体浓度变化的比值，即a ，a c 。 由b e e r l a m b e r t 定律得出输出光强i 与c o 气体浓度之间的关系为 i i oe x p ( - a a c l ) ( 2 - 4 ) f l j 于c o 气体吸收系数比较小，满足口a c l 1 ，所以e x p ( 一o f a c l ) 一1 一o f a c l 。 式( 2 4 ) 可近似表示为 i - i o ( 1 一口a c l ) ( 2 - 5 ) 浓度c 的c o 气体变化量为a c 时，出射光强i 的变化量为a ，所以 ，+ a = i o 【1 一口 ( c + a c ) l i l o o f a a c l ( 2 - 6 ) 得出检测系统的灵敏度为 s ；竺：一l (27)oofal c 由式( 2 7 ) 我们可以看出吸收路径的长度l 对传感器测量灵敏度有很大影 响。无论气体浓度的大小如何，随着吸收路径长度的增加，光透过率会变小，即 光会被更充分的吸收，传感器检测的灵敏度也会相应的提高。当气体浓度较大时， 吸收路径长度对透光率的影响很明显；当气体浓度较小时，吸收路径长度对透光 率影响较小。 增加吸收路径的长度，有利于提高传感器测量的灵敏度，但随着吸收路径长 度的增加，光纤准直器的制造工艺变得复杂而难以实现，光功率衰减也会变得比 较严重，所以设计系统时不能无限制地增加气室的长度。选择气室的长度要综合 这两个因素来考虑。 2 5 温度对检测系统的影响 检测环境温度和压强造成检测定律的偏差，这在国内外的文献中有过相关的 分析【3 6 】。图2 4 表示了三种气样在不同环境温度和压强下的测量误差关系曲线。 这三种气样分别为1 ：0 5 k p ac 0 2 、2 - 0 5k p ac 0 2 和3 ：0 5 k p an 2 。 在测量温度的影响时，以2 0 为参考点，认为在这个温度下测得的值是标 准值，没有误差。在测定压强的影响时，以1 0 0 k p a 为标准气压，认为在这个气 压测得的值是标准值，没有误差。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 测 量 误 差 测 量 误 差 环境温度t ( a ) 环境温度变化引起的测量误差 环境压强瞅p a ( b ) 环境压强变化引起的测量误差 图2 - 4 环境温度和压强变化引起的测量误差 从图2 - 4 可以看出，测量结果受环境温度、压强的变化的影响明显。同时， 在相同检测环境中，不同检测气体受检测环境的影响程度也是不同的。 2 6 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 - j 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。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 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 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 甜模型) 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【1 8 】。 2 6 1 正弦波驱动原理分析 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。 ，= ，o + v 。s i n ( t o t ) ( 2 - 8 ) ，o o ) 一i o 【1 + r s i n ( a j t ) 】 ( 2 - 9 ) 其中v 表示光源经调制的频率，y o 表示光源未经调制时的中心频率，y ，表示 频率调制幅度，o o ) 代表光源调制后的光强，。代表光源未经调制时的光强，7 代表光强调制系数，一坷，厂是电流调制频率。将式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 代入式 ( 2 1 ) ，则得到： i q ) = 1 0 【1 + s i n ( o z ) e x p - a 。c l 】 ( 2 1 0 ) 在近红外波段，气体的吸收系数很小，满足口。c l 1 ，光强的调制幅度也 很小，即可 1 ，这样就可以用近似公式 e x p - a ，c l 】= 1 一口，c l ( 2 - 1 1 ) 把( 2 1 1 ) 代入( 2 1 0 ) 得到： i ( 0 =