（电路与系统专业论文）基于扫描激光器的光纤气体检测系统[电路与系统专业优秀论文].pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 伴随光纤通讯技术的成熟，光纤传感技术在近十几年得到突飞猛进的发展。 作为光纤传感器的一个重要组成部分，光纤气体测量已经得到很大的关注，分布 反馈式( d f b ) 激光器光纤气体传感器已经达到了非常高的精度，但是由于它可 调范围窄，一种波长的d f b 光源只能用于测一种特定的气体，加上其价格昂贵， 所以国内外纷纷开始研究基于扫描激光器的光纤气体检测系统。 本论文通过对比以s l e d 为光源的基于f p 的光纤气体检测系统，分析利用 s o a 光源和可调谐f p 滤波器设计的基于扫描激光器的新型光纤气体检测系统。 主要从该系统的测量原理、数据处理方案设计、实验结果比较等方面进行详细阐 述采用基于扫描激光器的光纤气体检测方法及其实际可行性。并对该系统通过比 较不同信号强度、不同算法的测量结果，分析了信号强度、算法对系统的影响。 对于实际应用起到了积极的指导作用。本论文所做的主要工作包括： 1 介绍了h i t r a n 的使用、f p 腔的解调方法和数据采集卡u a 3 0 2 的接 口函数。 2 介绍了气体光谱吸收原理的研究以及光源的选择：选择s o a 作为光源， 设计了基于扫描激光器的实验方案。 3 搭建了基于s l e d 和f p 光纤气体传感器的系统，以乙炔气体为例，在 不同光强，不同算法的情况下进行了实验研究初步得到乙炔气体的浓度检测曲 线，以便基于扫描激光器的光纤气体检测系统与之比较。 4 构建了基于扫描激光器的光纤气体传感器的系统，包括光路部分、软硬 件设计部分以及最后的信号处理部分。比较其与基于s l e d 和f p 光纤气体传 感器的区别。并以乙炔气体为例，在不同算法的情况下进行了实验研究得到乙 炔气体的浓度检测曲线，并与基于s l e d 和f p 光纤气体传感器系统进行了比 较，说明了以s o a 为光源的系统跟以s l e d 为光源的系统相比较的优势。 5 对本文的总结，比较了该系统跟以d f b 为光源的气体检测系统的优势， 以及以后还要对该系列系统经行的研究期望。 关键词：光纤传感技术，s l e d ，s o a ，f p ，扫描激光器 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o l l o w i n gt h ef a s td e v e l o p m e n to ff i b e r - o p t i cc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h e f i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g yh a sm a d eg r e a tp r o g r e s s a sa l li m p o r t a n tc a t e g o r yo ff i b e r o p t i cs e n s o r , t h ed e t e c t i o no fg a sh a sb e e ng r e a tc o n c e m e d av e r yh i 曲a c c u r a c yh a s b e e nr e a c h e db yd i s t r i b u t e df e e d b a c k ( d f b ) l a s e rf i b e r - o p t i cg a ss e n s o r , h o w e v e r , d u e t 0i t sn a r r o wt t m i n gr a n g e ，aw a v e l e n g t ho ft h ed f b l i g h ts o u r c ec a no n l yb eu s e df o r m e a s u r i n gas p e c i f i cg a s ，c o u p l e d 、) l ，i mi t s1 1 i g hc o s t ，s os o m e o n eh a v es t a r t e ds t u d y i n g t h eo p t i c a lf i b e rg a ss e n s o rb a s e do ns c a n n e d - l a s e ra th o m ea n da b r o a d i nt h i sp a p e r , b yc o m p a r i n gt h ef i b e r - o p t i cg a ss e n s o r sb a s e do ns l e da n d f a b r y - - p e r o tc a v i t yw ea n a l y z e dt h ef i b e r - o p t i cg a ss e n s o r sb a s e do ns c a n n e d - - l s a e r t i l i sp a p e rp r o v e dt h ep r a c t i c a lf e a s i b i l i t yo ft h ef i b e r - o p t i cg a ss e n s o r sb a s e do n s c a n n e d - l a s e rf r o mt h em e a s u r e m e n tp r i n c i p l eo ft h es y s t e m ，t h ep r o g r a md e s i g no f d a t ap r o c e s s i n g ，t h ec o m p a r eo fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s i tc o m p a r e dt h ed i f f e r e n ts i g n a l s t r e n g t ha n dt h er e s u l t sb yd i f f e r e n ta l g o r i t h m so fm e a s u r e m e n t a n di ta n a l y z e dt h e i n f l u e n c et ot h es y s t e mb ys i g n a ls t r e n g t ha n da l g o r i t h m s t h e yh a v ep l a y e dap o s i t i v e r o l ef o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s i nt h i sp a p e r , t h em a j o rw o r kd o n ei n c l u d i n g ： 1 i ti n t r o d u c e dt h eu s eo ft h eh i t r a n ，d e m o d u l a t i o nm e t h o d so ff - pc a v i t y a n di n t e r f a c ef u n c t i o n so fu a 3 0 2 2 i ti n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo fg a ss p e c t r a la b s o r p t i o n , a sw e l la st h ec h o i c eo f l i g h ts o u r c e ：i td e s i g n e dt h ee x p e r i m e n t a lp r o g r a m sb a s e do ns c a n n e d - l a s e rb y c h o o s i n gs o a a sl i g h ts o u r c e sr e s p e c t i v e l y 3 i tp u tu pt h ef i b e r - o p t i cg a ss e n s o rb a s e do ns l e da n dt h ef - pc a v i t y t a k e c 2 h 2a sa ne x a m p l e ，e x p e r i m e n t sw e r ed o n ea n dd e t e c t i o nc u r v e sw e r ea c q u i r e di n d i f f e r e n tl i g h ti n t e n s i t ya n db yu s i n gd i f f e r e n ta l g o r i t h m s 4 i td e s i g n e df i b e r - o p t i cg a ss e n s o rb a s e do ns c a n n e d l a s e r , i n c l u d i n gt h ed e s i g n o fo p t i c a lp a t h ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ea sw e l la st h es i g n a lp r o c e s s i n g a n di t c o m p a r e d 、析t ht h ef i b e r - o p t i cg a ss e n s o rb a s e do ns l e da n dt h ef - pc a v i t y t a k e c 2 h 2 嬲锄e x a m p l e ，e x p e r i m e n t sw e r ed o n ea n dd e t e c t i o nc u r v e sw e r ea c q u i r e di n d i f f e r e n tl i g h t i n t e n s i t ya n db yu s i n gd i f f e r e n ta l g o r i t h m s a n di t s h o w e dt h e a d v a n t a g eb yc o m p a r i n g 、枷m t h es y s t e m sb a s e do i ls l e da n df pc a v i t y 5 i ti n c l u d e dt h ep a p e ra n ds h o w e dt h ea d v a n t a g eo ft h ef i b e r - o p t i cg a ss e n s o r s b a s e do ns c a n n e d - l a s e rc o m p a r e d 、析t hd i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e rf i b e r - o p t i cg a s s e n s o r i ta l s or a i s e dt h ee x p e c t a t i o n so ft h es u b j e c t n 武汉理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g y , s l e d ，s o a ，f - i , s c a n n e d - l a s e r 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。 研究生( 签名) ： 乏l 】孰扣期掣 学位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 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生( 签名) ：垒：l i 扎垫 导师签名：日期：趔 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 人类社会已进入信息时代，对信息的研究包括信息的获得、存储、传输和 处理。因此，有人把传感技术、通信技术和计算机技术这三大技术视为信息技 术的基础。而传感器就是感知获取信息的窗口，它处于研究对象与传输处理系 统的接口位置，被比喻为电子计算机实现智能化处理的“五官”。传感器技术是 现代技术竞争的核心技术之一，已为国内外所公认。光纤传感器是传感器家族 中的一个成员，而且是一个非常重要的成员，与传统传感器不同，它是以光纤 作为信息的传输媒质，光作为信息载体的一种传感器，是光纤在非通信领域的 重要应用。由于光纤优良的物理、化学和传输性能，使得光纤传感器具有传统 传感器无法比拟的优点。迄今，已经证明光纤传感器可以应用于位移、震动、 转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度、声场、 流量、浓度、p h 值等7 0 多个物理量的测量。从7 0 年代问世以来，光纤传感器 的研究、开发和应用取得了巨大的进展【l 捌】。 在工业生产、环境监测、医疗卫生和科学研究等领域，常常需要对各种气 体的成分、浓度等参数进行检测和控制。光纤气体传感器具有常规传感器无法 比拟的体积小、重量轻、结构灵活、灵敏度高、抗电磁干扰等优点，因此近几 年来备受关注 2 1 。而现在利用特定光源检测单一气体的光纤传感系统已应用于 煤矿等重要场合。虽然单气体检测系统已经趋于成熟，但是它只能检测一种气 体，且特定光源的价格昂贵，因此一种利用宽带光源和f p 的气体检测系统被 提 3 1 。 1 2 本课题相关的光纤气体传感器知识 1 2 1 一般光纤传感器的介绍 一般的光纤传感系统由光源、信号传输线、传感器件、光电转换及信号处 理四部分组成，如图1 1 所示。光波作为载波经入射光纤传输到传感头，光波 的某些特征参量在传感头内被外界物理参量所调制，含有被调制信息的光波经 出射光纤传输到光电转换部分，经解调后就能得到被测物理量的大小和状态 4 , 2 2 2 3 1 o 武汉理工大学硕士学位论文 输入光纤 输出光纤 光源 传感头 光电转换 及信号处理 图1 - 1 光纤传感器工作原理图 1 2 2 气体检测的光谱法 气体检测的方法有电化学方法、光学方法、电气方法、气相色谱法等多种 【5 1 。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吸收等特性检测气体。下 面重点论述下光谱法的特点。 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 。1 7 j 。 每一种气体都有固有的吸收光谱，当束光强为厶的输入平行光通过充有 气体的气室时，如果光源光谱覆盖一个或多个气体吸收线，光通过气体时将发 生衰减，根据b e e r l a m b e r t 定律，输出光强( 五) 与输入光强，。( 五) 和气体浓度 之间的关系为： 1 ( 4 ) = i o ( 五) e x p ( 一口五l 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 ) 可得 c ：上l n 地( 1 2 ) a a lj ( a ) 式( 1 - 2 ) 表明，如果l 与口。已知，通过检测j ( a ) 和，。( 力) 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 光谱吸收式光纤气体传感器 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2 4 2 7 。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，这里重点介绍吸 2 武汉理工大学硕士学位论文 收式光纤气体传感方法。 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( 0 8 u n - 1 7 a m ) 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 ，日，、 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【7 j 。 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。 1 3 光谱吸收式的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【8 ，j 。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。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， 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，19 8 5 年，h i n a b a 和k c h a n 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 ，风、c ：日：、c ：日。和c 。日。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 l a e b a t i 和t a 鼬n g 用1 3 3 n 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 3 武汉理工大学硕士学位论文 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【6 , 1 0 j 。 1 9 9 8 年，英国s u a _ c 1 1 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i l i a 2 】。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 合。至u 2 0 0 0 年，m i h a z a v r s m 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 f l r n l e d 作光源，配合闪耀光栅对甲烷气 体进行了检测实验l l 引。 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 4 武汉理工大学硕士学位论文 路和电路结构的便携式红外c 日。气体检测仪【1 4 】。 1 4 课题的目的、意义、主要研究内容 对于乙炔、一氧化碳等易燃、易爆、有毒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。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【1 5 , 1 6 】。 进入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、化工厂等场合，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。 本论文的研究目的：分析光谱吸收型光纤气体传感器的原理、特性及工作 特点，搭建基于s l e d 光源和可调法布里一珀罗腔的光纤气体传感器，设计出 基于s o a 和可调法布里一珀罗腔的光纤气体传感器，利用几种数据处理方法来 测量气体的浓度，要求传感器具有检测精度高、稳定性和可重复性好等特点； 在硬件方面通过精度的比较对两种方案的传感特性进行比较，在软件方面，通 过精度的比较对各种数据处理方法进行比较。 本论文的研究内容为： 1 ) h i t r a n 的使用，f p 腔的解调方法的介绍和数据采集卡u a 3 0 2 的介 绍。 2 ) 气体光谱吸收原理的研究以及光源的选择：选择s l e d 为光源，搭建起 基于s l e d 光源和可调法布里一珀罗腔的气体检测系统；选择s o a 作为光源， 设计了基于可调激光器的光纤气体检测系统方案。 3 ) 基于s l e d 和f p 光纤气体传感器的系统构建，包括光路部分、光源和 光源电路的设计部分。以乙炔气体为例，进行实验研究初步得到乙炔气体的浓 度检测曲线，其它气体的检测可按类似方法进行。 4 ) 基于s o a 和f p 光纤气体传感器的系统构建，包括光路部分、软硬件 设计部分以及最后的信号处理部分，比较其与基于s l e d 和f p 光纤气体传感 武汉理工大学硕十学位论文 器的区别。并以乙炔气体为例，进行了实验研究得到乙炔气体的浓度检测曲线， 并与上套系统进行比较。 5 ) 各种数据处理方法的实验数据处理以及传感器的特性分析。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于f - p 光纤气体传感器相关知识 2 1 各种气体吸收峰及t r a n 的介绍 2 1 1 气体吸收峰的介绍 基于f - p 的光纤气体传感器是利用光谱吸收型的气体检测方法。每一种气 体都有固有的吸收光谱，表2 1 为几种常见气体吸收光谱的特征吸收峰波长 1 1 4 ，1 7 1 。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( 近红外波可能的污染来源 段) 氧气仍 0 7 6 1 9 m 二氧化碳c 仍 1 5 7 3 9 m 发动机废气，发电厂废气 甲烷c 胁 i 6 6 5 9 m 煤矿煤层气体 水蒸气飓d 1 3 6 5 9 m 二氧化氮仍 0 8 0 9 m 工业废气 一氧化碳c o 1 5 6 7 9 m 发动机废气，发电厂废气 乙炔q 仍 1 5 3 0 9 m 发动机废气，可燃易爆气 体 硫化氢h 2 s 1 5 7 8 9 m 工业废气 氨气n h 3 1 5 4 4 9 m 工业废气 2 1 2 t r a n 数据库简介 h i t r a n 数据库( t l i g h r e s o l u t i o nt r a n s m i s s i o nm o l e c u l a ra b s o r p t i o nd a t a b a s e ， 高分辨率分子透射吸收数据库) 是由美国空军地球物理实验室于2 0 世纪6 0 年 代晚期，为了军事目的研究大气红外特性需要开发的，1 9 7 3 年对外开放该项成 果。此后在大气微量气体吸收研究，气体遥感测量，激光传输研究，雷达等诸 多领域有广泛的应用。 它是由3 9 种分子谱线的光谱参数组成的数据库和基于这些参数的仿真软件 h a w k s ( h i t r a na t m o s p h e r i cw o r k s t a t i o n ) 两部分组成，使用该数据库和软 件，能够准确的模拟光在大气中的发射和传输。 7 武汉理工大学硕士学位论文 实现光谱吸收检测的基础是对气体的光谱吸收特性要有一个全面的了解 i i s l ，那么可以利用h i t r a n 数据选择最佳检测的谱区。这里拿乙炔气体为例， 分析下乙炔气体的光谱吸收性，由于选择的光源为中心波长为1 5 5 0 n m 的宽带 光源，所以利用h i t r a n 数据库调出的波长范围为1 5 2 0 n m - 1 5 8 0 n m 的吸收峰 情况，如图2 1 所示。可以观察到在这个范围内，有多个吸收峰，经过强度大 小和中心波长的偏离程度来比较，可以看出，在波长为1 5 3 0 n m 附近处的吸收 峰最适合进行实验。 o 枷蝴姗a 睨mo 枷螂嗍 - 1 。 w a ven um 日er8c m 图2 1 乙炔气体在1 5 2 0 n m 一1 5 8 0 n m 附近的吸收峰 2 2 数据采集卡u a 3 0 2 s 的介绍 为了方便起见，数据采集系统的硬件部分采用了比较成熟的产品，北京优 采公司的u a 3 0 2 s ，其实物如图2 2 所示。该项目通过应用它提供的动态链接库 u a 3 0 0 d l l ，以及封装在其内部的接口函数，进行二次开发，进行a d 转换控制 f p 以及实现数据的接收。 8 武汉理1 人学砸七学1 t 论文 图2 - 2 数据采集卡u a 3 0 2 s 实物图 2 21u a 3 0 2 s 的技术指标 该产品是基于u s b 总线的数据采集产品，提供u s b l 0 数据读写接口，可 与带u s b 接口的各种台式计算机，笔记本机，工控机连接构成高性能的数据采 集测量系统。该产品采用美国新型1 6 位a d 转换芯片设计讲究测量精度 高，速度快，编程简便，且具有u s b 设备体积小巧，连接方便，无需外接电源， 即插叩用，可带电插拔等特有特点。可广泛应用于科学实验，工业测量控制领 域。其a d 部分主要技术指标如下： 分辨率为1 6 b i t ；精度优于o0 2 ( 满量程) ；最高实用采样频率为2 0 0 k h z ； 模拟输入通道为3 2 单端；模拟输入范围为5 v 1 0 v ；程控增益为1 、2 、4 、8 、 1 6 倍( 选装i 、2 、4 、8 、1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 ) ；输入阻抗 1 0 0 m o ；触发方式为 定时器出发，软件触发；f i f o 存储器3 2 k b 。 222u a 3 0 2 s 的接口函数介绍 该产品提供的与数据采集有关的主要接口函数定义如下【2 0 l ： ( 1 ) h a n d l es t d c a l lo p c n u a 3 0 0 ( ) 。说明：该函数用于打开u a 3 0 2 设 备，取得设各句柄，对u a 3 0 2 操作时，应首先执行浚函数；输入参数；无； 返回值：返回设备句柄，这个旬柄在调用其他函数时需要使用。 ( 2 ) b a n d l es t d c a l lc l o s e u a 3 0 0 ( h a n d l eh u s b ) 。说明：该函数用于 关闭u a 3 0 2 ，在结束对u a 3 0 2 操作时，应执行该函数关闭设备；输入参数： 在打开设备时得到的设备句柄；返回值：可忽略。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) v o i ds t d c a l ls s i n i t ( h a n d l eh u s b ) 。说明：该函数用于单通道单点数 据采集的初始化( 任意通道读一点数据) ，在单通道单点数据采集时应先执行 此函数；输入参数：h u s b 在打开设备时得到的设备旬柄；返回值：无。 ( 4 ) s h o r ti n t s t d c a l ls s a d ( h a n d l eh u s b ，s h o r ti n ta d c h ，s h o r ti n tg a i n ) 。 说明：该函数用于单通道读一点数据( 任意通道读一点数据) ：输入参数：h u s b 在打开设备时得到的设备句柄，a d c h 输入通道号( 0 3 1 ) ，g a i n 放大倍数代码 ( 0 = 1 倍( 不放大) ，1 - - 2 倍，2 = 4 倍，3 = 8 倍，4 = 1 6 倍y ；返回值：整数的数 据值，3 2 7 6 8 3 2 7 6 7 ，代表一1 0 v + 1 0 v 电压( 放大倍数为1 时) 。 ( 5 ) v o i d s t d c a l lm i n i t ( h a n d l eh u s b ，s h o r tf c h ，s h o r tc h n ，s h o r ti mg a i n ) 。 说明：该函数用于多点( 单通道或多通道) 数据采集的初始化，一次连续采集 多点数据时应先执行此函数，此函数和r e a d d a t a 函数连用；输入参数：h u s b 在 打开设备时得到的设备句柄，f c h 首输入通道号( 0 - - 3 1 ) ，c h n 通道数( 1 - 3 2 ) ， 多通道采集时，采集通道应连续，采集通道由通道号和通道数决定，单通道采 集时，通道数应设为1 ；g a i n 放大倍数代码( 0 = 1 倍( 不放大) ，1 = 2 倍，2 = 4 倍，3 = 8 倍，4 = 1 6 倍) 。 ( 6 ) v o i d s t d c a l lm i n i t 2 ( h a n d l eh u s b ，s h o r tf c h ，s h o r tc h n ，u n s i g n e d s h o r tf c o d e ，s h o r tg a i n ) 。说明：该函数用于第二种方式多点( 单通道或多通道) 数据采集的初始化，连续采集多点数据时应先执行此函数，此函数执行后可用 r e a d d a t a 2 函数读取数据；输入参数：h u s b 在打开设备时得到的设备句柄，f c h 首输入通道号( 0 - - 31 ) ，c l a n 通道数( 1 3 2 ) ，多通道采集时，采集通道应连续， 采集通道由首通道号和通道数决定，单通道采集时，通道数应为1 ，f c o d e 频率 码= 6 0 0 0 0 0 0 ( h z ) 采样频率( i - i z ) ，g a i n 放大倍数代码( o = 1 倍( 不放大) ， 1 - - - 2 倍，2 = 4 倍，3 = 8 倍，4 = 1 6 倍) 。 ( ”一s t d c a l lr e a d d a t a ( h a n d l eh u s b ，h u s b 宰a d d a t ，u n s i g n e ds h o r t f c o d e ， l o n gl e n g ) 。说明：该函数用于多点连续( 单通道或多通道) 数据采集，此函数 与m i m t 连用；输入参数：h u s b 在打开设备时得到的设备句柄，f e o d e 频率码 = 6 0 0 0 0 0 0 ( h z ) 采样频率( h z ) ，l e n g 采样数据的总点数( 一点为1 6 位字) ， 注意需是3 2 的倍数，该参数是长整数，意味着只要数据组开的足够大，可以 一次采集几十兆字节以上的数据；输出参数：* a d d a t 数据数组，采集数据存放 于数据数组。 ( ”v o i d s t d c a ur e a d d a t a 2 ( h a n d l eh u s b ，s h o r t a d d a t ，l o n gl e n g ) 。说 明：该函数用于第二种方式多点连续( 单通道或多通道) 数据采集，在执行 m i n i t 2 后，可多次调用该函数读取数据，只要间隔不是太长，数据将是连续的： 输入参数：h u s b 在打开设备时得到的设备句柄，l e n g 采样数据的总点数( 一点 l o 武汉理工大学硕士学位论文 为1 6 字) ，注意，需是3 2 的倍数，该参数是长整数，意味着只要数据数组开 的足够大，可以一次采集几十兆字节以上的数据；输出参数：* a d d a t 数据数组， 采集数据存放于数据数组；返回值：无。 ( 9 ) v o i ds t d c a l le n d r e a d 2 ( h a n d l eh u s b ) 。说明：该函数用于关闭第二 种方式多点数据采集，在第二种方式多点数据采集结束时需执行；输入参数： h u s b 在打开设备时得到的设备句柄；返回值：无。 ( 10 ) v o i ds t d c a l lo u t b ( h a n d l eh u s b ，u c h a ra d d r ，u c h a rd a t ) 。说明：在 u a 3 0 2 输出扩展口输出一字节；输入参数：h u s b 在打开设备时得到的设备句柄， a d d r 外部口地址，d a t 输入数据字节；返回值：无。 2 2 3u a 3 0 2 s 的d a 编程函数介绍 两路d a 利用外部扩展口输出命令o u t b 编程，有两个操作地址：1 0 ( 十进 制) 用于输出外部设备口地址，1 1 ( 十进制) 用于输出数据。d a 0 口地址为： o 数据低字节；1 数据高字节。d a 1 口地址为：2 数据低字节；3 数据高字节。 公共输出命令地址为8 ，命令数据为o 。对某一d a 编程应先输出低字节数据， 再输出高字节数据，然后执行公共输出命令。d a 编码：0 0 0 0 h 为1 0 v ；0 f f f h 为i o v 。例如，我们用d a o 输出o v ，d a 1 输出1 0 v ，程序如下。 o u t b ( h u s b ，1 0 ，0 ) ；指向d a o 低字节地址 o u t b ( h u s b ，1 1 ，2 5 5 ) ； 输出低字节 o u t b ( h u s b ，1 0 ，1 ) ；指向d a 0 高字节地址 o u t b ( h u s b ，1 1 ，7 ) ； 输出高字节 o u t b ( h u s b ，1 0 ，2 ) ；指向d a 1 低字节地址 o u t b ( h u s b ，1 l ，2 5 5 ) ； 输出低字节 o u t b ( h u s b ，1 0 ，3 ) ；指向d a 1 高字节地址 o u t b ( h u s b ，1 1 ，1 5 ) ； 输出高字节 o u t b ( h u s b ，1 0 ，8 ) ； 指向公共输出命令地址 o u t b ( h u s b ，1 1 ，0 ) ； 执行公共输出命令 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章基于s l e d 和f - p 光纤气体传感器的搭建 3 1 基于f p 光纤气体传感器的原理及光路搭建 每种气体都有自己特定的吸收光谱，当一定光强的光经过某种气体，而光线 的光谱与气体吸收光谱相符时，该段光谱将会被吸收而使光强明显减弱，根据 b e e r l a m b e r t 定律可知，吸收强度与气体的浓度有关【2 9 】，如式( 1 1 ) 所示。 该系统是用计算机软件控制数据采集卡对f p 的压电陶瓷进行控制从而对 输入光源进行了线性调制，实现信号的扫描，信号经过求f f t 一次谐波或者求 信号包络面积或者测信号吸收峰的处理，得出数据。 图3 1 基于f p 的光纤气体检测系统光路图 实验系统光路如图3 1 所示，中心波长为1 5 5 0 n m 的宽带光源s l e d 发出的 光经过由计算机控制的f p 进行波长扫描，经过3 d b 耦合器分成两路，一路经 过参考光栅反射回来经过3 d b 耦合器后经由数据采集卡送往计算机处理，作为 参考信号来确定气体的吸收峰的大体范围；另一路经过气室，吸收后的信号经 过数据采集卡送往计算机进行处理，得出实验结果。 3 2 光源模块及光源模块电路的介绍 在光源的选择上，因为该系统的需求是能够测吸收峰在1 5 5 0 n r n 附近的多种 气体，所以选择了w 砌公司生产的中心波长为1 5 5 0 n m 的宽带光源s l e d ，其 内部包括发光二极管l e d ，热敏电阻t h e r 以及半导体制冷器t e c ，其管脚示 意图和管脚功能如图3 2 所示，其中t e c + ( t e c ) 表示半导体制冷器的正( 负) 端，t h e r m i s t o r 表示热敏电阻的两端，n c 表示空脚，s l e da n o d e + ( c a t h o d e ) 表示l e d 的阳极( 阴极) 。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 7 b5 毒32 1 t e c + 2 t h e r m i s t o r j n c 4 n c 5 t h e r m i s t o r 6 n c 7 n c n c n | c s l e d a n o d e + s l e dc a t h o d e n c c a s e t e c - 图3 2s l e d 的管脚示意图及管脚功能 利用其组成的带反馈电路的光源模块可以控制光源的温度恒定从而实现光 源的稳定，其电路图如图3 3 所示。 图3 3 光源模块电路图 此电路，可以从s l e d 光源的三个部分着手进行分析，其他的电路部分都 是为它们三个进行服务的，下面就从s l e d 的发光二极管、热敏电阻、半导体 制冷器三个部分进行分析。 ( 1 ) 发光二极管部分，这部分的电路主要组成光源的恒流驱动部分，图 3 3 的左上部分就是实现这个功能的部分。光源的恒流驱动，可以参照图3 - 4 进行分析。 图3 _ 4 光源的横流驱动 0 l 2 3 4 8 9 1 1 1 1 1 武汉理1 大学硕士学位论文 从图3 4 很