（物理电子学专业论文）光纤甲烷传感器的信号处理方法.pdf

中文摘要 摘要：目前我国矿井瓦斯是煤矿自然灾害的重要根源之一，利用光纤传感器对矿 井中的甲烷气体浓度进行实时监测，对减少矿难发生有重要意义。而光信号的接 收和信号处理技术是光纤传感技术中的重要一环。 本文在介绍了光谱吸收型光纤气体传感器的原理、特性及工作特点的基础上， 对基于锁相放大的信号处理技术进行了深入研究，该系统可以实现接收和处理调 制频率为2 5 m h z 的信号。本文中提出的信号处理系统测量范围宽、稳定性好、响 应速度快、寿命长。此系统可以用于多种结构的气体传感器的信号处理。实验测 得，由该系统组成的光纤甲烷传感器系统5 小时的稳定度为0 9 6 ，能探测到的最 低甲烷气体浓度为8 9 。一般的光纤甲烷传感器的信号调制频率为1 m h z 以内， 因此本信号处理电路处于国内先进水平。 关键词：光纤甲烷传感器；微弱信号处理；锁相放大器；相敏检波；相关检测 a bs t r a c t a b s t r a c t ：g a se x p l o s i o n sa r et h en a t u r a ld i s a s t e r si no u rc o u n t r y t h eu s i n go f o p t i c a lf i b e rs e n s o rf o rm i n eg a sc o n c e n t r a t i 。ni nr e a l t i m em o n i t o r i n g c a l ld e d u c em e i n c i d e n c eo ft h ed i s a s t e r s a n do p t i c a ls i g n a lr e c e i v e ra n ds i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a r et h em a j o rp a r t si nt h eo p t i c a lf i b e rs e n s o r t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l e s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r kc h a r a c t e r i s t i c s o f s p e c t r a la b s o r p t i o ni nt h eo p t i c a lf i b e rg a ss e n s o r ic a r r i e do u ti n - d e p t hr e s e a r c hm t n e s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e s o fo p t i c a lf i b e rm e t h a n es e n s o rw h i c hb a s e o nt n e p h a s e - 1 0 e k e da m p l i f i e r t h es y s t e mi sc a p a b l eo fr e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n gs i g n a l s o f 2 5 m h z t h es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mw i t hw i d em e a s u r i n gr a n g e ，g o o ds t a b i l i t y , f a s t r e s p o n s ea n dl o n gl i f eh a v eb e e np r o p o s e d t h es y s t e mc a nb eu s e d i nav a r i e t yo f s t r u c t u r e so ft h eg a ss e n s o ra ss i g n a lp r o c e s s i n g o p t i c a lf i b e rm e t h a n es e n s o rs y s t 锄 s t a b i l i t yo ft h e5h o u r st o0 9 6 t h em i n i m u m c o n c e n t r a t i o no fm e t h a n eg a sw h i c ht n e s v s t e r nc a l ld e t e c ti s8 9 t h es i g n a lm o d u l a t i o nf r e q u e n c yo fo p f i c mf i b e rm e t h a n e s e n s o r si ng e n e r a li s 1m h zo rl e s s ，s ot h es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mi s i nt h ed o m e s t l c a d v a n c e dl e v e l k e y w o r d s ：o p t i c a lf i b e rm e t h a n es e n s o r ；w e a ks i g n a lp r o c e s s i n g ；p h a s e - l o c k e d a m p l i f i e r ；p h a s e s e n s i t i v ed e t e c t o r ；c o r r e l a t i o n d e t e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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。 学位论文作者签名：签字同期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字同期：明年多月弓d 日 导师签名：玉1 1 彦 导师签名：必i 眩【隋 签字日期：2 川年f 月罗d 日 i 致谢 本论文的工作是在吴重庆教授、王智教授和王波波副教授的悉心指导下完成 的，几位教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，我心 存感恩。在此衷心感谢两年来吴重庆教授、王智教授和王波波副教授对我的关心 和指导。 吴重庆教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向吴重庆教授表示衷心的谢意。 王智教授、盛新志教授、王健副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多 的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，余贶碌、杨双收、王亚平、高凯强、赵爽、 尚超等博士对我论文中和研究工作给予了热情帮助，他们对待科研的认真态度和 孜孜不倦的求是精神深深感染了我，这将有益于我今后的学习和工作，在此向他 们表达我的感激之情。 感谢宋听同学，在我的论文撰写阶段给了我莫大的帮助。也感谢杨磊、史晓 军、唐占军等学，他们让我感受到了兄弟姐妹般的关怀，让我在家庭般的环境中 工作和学习。 另外也感谢我的父母，他们虽然不在我身边，却一直默默地全心全力支持我、 鼓励我和关心我，没有父母的理解和支持，他们的理解和支持使我能够在学校专 心完成我的学业。 最后，感谢所有曾经关心和帮助过我的朋友们! 我心存感恩! 1 1 课题研究的意义和目的 1 引言 在我国，煤炭行业中的瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌，已成为制约煤 矿安全生产的主要矛盾。目前我国的煤矿安全生产事故不断，特别是不断发生的 重大瓦斯爆炸事故，造成了严重的经济损失的人员伤亡。在我国煤矿安全事故中， 瓦斯爆炸造成的伤亡约占所有重大事故伤亡人数的5 0 以上，瓦斯爆炸成为实现 安全生产的最大障碍和困扰煤矿安全生产的重大难题f 1 1 。 甲烷是常见的易燃易爆气体和多种液体燃料的主要成分。甲烷在大气中的爆 炸下限为5 3 ，上限为1 5 o 。矿井中瓦斯的主要成分是甲烷，约占8 3 8 9 ，矿 井瓦斯是煤矿自然灾害的重要根源【2 】。 人们采用各种技术手段，设计能在线实时快速检测甲烷气体浓度的仪器和设 备。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【2 2 1 。目前在国内气体分析仪领域，红外气 体分析仪仍然是一种“贵族”型的仪器，国内仪器价格在3 7 万，国外价格在7 1 0 万，因此国内电化学传感器的仪器使用较为广泛。单气体电化学仪器一般价格在 一万元左右，其关键部件的传感器寿命一般为1 2 年，如果长期使用，实际上其 成本也不低1 2 。 研究开发对于甲烷、硫化氢等有害气体的检测方法和气体传感器对煤矿安全、 环境监测、工业控制等领域都非常重要。光信号的接受和信号处理技术是光纤传 感技术中的重要一环。因此，本课题的研究是符合国民经济发展的需求的，光纤 甲烷气体传感器及其检测系统的研制和开发具有广阔的市场应用前景【l 5 1 。 本文将分析光谱吸收型光纤气体传感器的原理、特性及工作特点，并研制基于 锁相放大技术的信号处理系统，它可以用于多种结构的气体传感器的信号处理。 这种光信息的处理方法也将为今后进一步深入研究国产化的光纤气体传感器打下 基础。因此，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， 同时也具有重要的现实意义和应用前景。 1 2 光纤甲烷传感器的发展概况 1 2 1 光纤气体传感器的特点 由于基于红外吸收原理的气体传感器具有的长期稳定性好、精度高、操作简 单、安全等优点，能满足现在矿井气体检测系统的要求，越来越受到人们的关注眨1 。 因为石英光纤只在1 1 - 1 7 p m 的近红外区有低损耗和低色散，在中、远红外区石 英光纤损耗大，使得信号衰减较大。因而探测只能在近红外区进行t 3 1 。表1 1 为大 气中主要吸收组分的红外吸收带【4 1 。 表1 1 大气中主要吸收组分的红外吸收带 红外吸收带ca 心波长a m h 、o0 9 41 11 3 8 1 8 7 2 75 26 2 7 c d 1 41 62 o2 74 34 85 29 41 0 41 5 q 4 78 99 61 4 2 d 3 94 0 54 57 78 51 7 1 c o2 34 6 c h , 3 3 16 57 6 5 利用红外吸收光谱技术检测矿井气体具有一系列优尉3 】【4 】： ( 1 ) 传输损耗低，重量轻，不受外界电磁干扰，使用安全。 ( 2 ) 耐火、耐腐蚀，绝缘性能好。 ( 3 ) 测量范围宽。红外气体传感器能够分析气体的上限为1 0 0 ，下限可以到 1 0 4 。精度高，工作稳定。 ( 4 ) 光纤探头对被测量场的影响小，灵敏度高，动态范围大，响应速度快。 ( 5 ) 操作简单、维修方便。 ( 6 ) 寿命长。红外吸收吸收光谱传感器的寿命一般在5 年以上。而一般的载体 催化型甲烷测量仪，电化学一氧化碳测量仪等，工作寿命会短很多。 ( 7 ) 在大多数情况下，光纤气体传感器不改变样品的组成，是非破坏性测量。 1 2 2 光纤甲烷传感器的国内外发展现状 国外对吸收式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 署d 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【5 1 。 1 9 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 作为光源对准甲烷 在1 6 6 5 4n m 处的谐波吸收峰，采用同样的系统，由于在1 6 6 5 4n m 处的谐波吸收 峰吸收强度较1 3 3 1 2n m 处大一倍，因此系统的探测灵敏度提高了一倍【6 】。 2 1 9 9 0 年，h t a i 和k y a m a m o t o 等利用1 6 6um 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 小可探测浓度达至l j 2 0 p p m 。 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，最小探测浓度为2 0 p p m 。7 1 。 2 0 0 0 年，m i h a z 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器复用系 统，是一种多点光纤气体传感器网络的最简单结构，但系统各传感单元间有串扰， 导致测量的灵敏度和精度都不是很高f 3 8 】。 2 0 0 4 年，东京气体股份有限公司开发出基于1 6 6um 的便携式甲烷遥感探测 器，使用了i n g a a s p 分布反馈激光器，探测器的下限为5 p p m 8 1 。 国内红外吸收型甲烷传感方面的研究起步较晚，但是，随着国家及其列入重 点资助范围，近几年逐步形成热点。 1 9 8 9 年，西安光机所郭栓运等在应用光学杂志上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【9 1 。 1 9 9 4 年，中国科技大学的董小鹏等人利用半导体激光器，采用单光路、双波 长的差分技术，利用1 6 7um 的红外辐射，对甲烷气体进行检测，最小检测浓度达 n o 4 7 【l4 1 。1 9 9 7 年，山东矿业学院的曹茂永等对吸收光谱式瓦斯传感器的参数 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【8 】。 2 0 0 2 年7 月，燕山大学郭增军通过对锁相放大器等效噪声带宽的分析来推断锁 相放大器对信噪比的改善【l 0 1 。 2 0 0 3 年廊坊师范学院、河北半导体研究所，米新江，许爱东等人设计的差分 吸收光纤传感器，使用锁相放大的方法进行检测最小可检测浓度为0 0 1 ，相当于 1 0 。4 的高灵敏度。 2 0 0 4 年上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，潘 文娜介绍了吸收型光纤甲烷传感器原理及几种甲烷检测系统，其中介绍了二次谐 波方法可对对p i n 接收的信号进行处理【6 】。同年1 0 月，哈尔滨工业大学王书涛采用 1 6 6um 分布反馈式半导体激光器作为光源，应用二次谐波检测技术进行检测，实 现对甲烷气体的浓度检测，检测的灵敏度为7x1 0 咕d 1 2 】。 2 0 0 5 年辽宁工程技术大学与中国矿业大学关中辉等人通过锁相放大电路输出 波形实验，论证了锁相放大器对传输信号进行相敏检波的方式使用于光谱吸收原 理的光纤甲烷传感器的光接收系统【1 3 】。 2 0 0 5 年中国科学院环境光学与技术重点实验室的阚瑞峰等人对环境空气中甲 烷( c f l 4 ) 的含量进行了长时间的监测。以室温下工作的近红外可调谐半导体激光器 作为光源，使用多次反射增加吸收光程来提高检测灵敏度；并且使用了二次谐波 检测技术进一步降低了检测限，使检测限低于0 0 8 7m g m 3 ，满足了对环境空气中 甲烷进行监测的需要【1 5 】。 2 0 0 6 年2 月哈尔滨工业大学王书涛等人低噪声的i n g a a s p i n 该系统以1 3 0 0 n m 波段的d f b l d 作为光源，波长响应范围为l1 0 0 1 9 0 0 n m 的高灵敏度作为光电探测 器，利用锁相放大器对传输信号进行相敏检波，采用一次谐波反馈光源注入电流、 二次谐波与一次谐波的比值作为系统输出的谐波检测技术对微弱信号进行处理， 使得系统达到很高的灵敏度。研究表明，该传感器的灵敏度达至l j l o p p m ，精确度和 稳定性等性能指标均可满足甲烷气体检测要求【l 6 1 。 2 0 0 6 年1 1 月燕山大学王聪使用锁相放大技术进行微弱信号检测系统的最大示 值相对误差值小于1 。1 5 个小时的稳定度为0 1 6 t 1 。7 1 。同年该校的张景超将小波变 换技术应用于甲烷吸收光谱附近的几种干扰气体光谱信号的滤波、平滑和去噪处 理，处理后的光谱信号前后峰位置、峰高、峰面积几乎均保持不变，实验结果表 明，系统的最大示值相对误差值为1 4 。1 5 个小时的稳定度为1 。 2 0 0 6 年，中北大学教育部仪器科学与动态测试重点实验室，闫晓梅，张记龙由 虚拟仪器开发的软件进行采集、处理，得到浓度与电压的信息检测到的最小浓度 c = 0 0 4 0 8 m o l l ，相对误差0 2 6 t 博j 。 2 0 0 7 年4 月，燕山大学与河北师范大学大庆石油学院，王艳菊等人采用双光 路、双波长来解决系统光源功率波动光纤损耗等问题，在接收端采用旋转双色滤光 器和单探测器消除了双光电器件的漂移对测量结果的影响。系统的最大示值相对 误差值约为0 2 1 9 1 。 1 3 光纤甲烷传感器的信号处理技术 1 3 1 直接检测法 图卜1 和图卜2 都是利用直接检测法进行信号处理的检测系统图。在图1 - 1 的系统中，光源发出的经过入射光纤送至气室，再经出射光纤被光探测器接收， 转变为电信号，信号经过放大器放大后被记录仪记录。在这个检测系统中，光源 的不稳定、环境因素( 振动、温度) 的影响、光纤传输模式的影响、电路中元器 件的漂移等都会影响系统检测的灵敏度。 4 图1 一l 直接检测法原理图 f i g l - 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fd i r e c td e t e c t i o nm e t h o d 在图卜2 的系统中，光源经过调制后，输出光功率为： io ( 旯) = s o ( 五) ( 1 + m s i nc o t ) ( 1 1 ) 式中，m 是调制系数。经过气体吸收后输出功率为： ，( 五) = 厶( 兄) ( 1 + m s i n c o t ) e x p 一口五c l 】( 1 2 ) 光探测器接收到的光功率是经过气体吸收后的剩余光功率。在信号处理中通 过窄带滤波提取频率为调制频率的信号，在一定程度上消除光源功率波动的影响， 提高信噪比。但是同时，也对光源驱动电流和温度控制提出了更高的要求。直接 检测法检测气体浓度是一种粗糙的检测手段【帅1 。 图1 - 2 直接检测法原理图 f i g l 一2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fd i r e c td e t e c t i o nm e t h o d 1 3 2 差分吸收法 光纤甲烷传感器中，差分吸收法可以用单波长双光路发和双波长单光路法实 现。光源的光分为两路，一路带有被测气体的信息，称为测量光路；另一路未经 气体吸收，称为参考光路。光源的不稳定以及光电器件的温漂对两个信息的影响 是相同的，消除影响系统检测灵敏度的不利因素【4 1 1 。 1 、单波长双光路法 单波长双光路法的原理参图l 一3 。同一光源发出的光经耦合器分为两路，一路 通过含有被测气体的气室，另一路通过不含待测气体的气室。如果选择两探测器 的性能相似，则可以消除光源不稳定性和光电器件的温漂、时漂的影响。 信 耦 检测气室 滤波器 - 啼 号 厶 i光源 口 处 一 滤波器 - 理 器 参考气室 图1 - 3 单波长双光路吸收法原理图 f i 9 1 - 3t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f a b s o r p t i o no f s i n g l e - w a v e l e n g t ha n dd u a ls c h e m a t i c 2 、双波长单光路法 双光路差分吸收法原理图见图1 4 。两个光源分别产生信号光a 和参考光五， 两波长接近但甲烷对它的吸收系数不同，波长元位于气体吸收峰。两束光经过 w d m l 后变为一束光进入气室，从气室出来后由w d m 2 分束被探测器接收，两波 长光强度的变化比显示待测气体的吸收强度。双波长单光路不但可以消除光源和 光电器件的影响，还能消除气体波动、气室上粉尘沉积等因素的影响【4 2 1 。 i i】 l光源 滤波器卜3 气 i + i光源u滤波器l s w d m l 室 图l 一4 双光路差分吸收法原理图 f i g l 3t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fa b s o r p t i o no fd u a l w a v e l e n g t ha n ds i n g l es c h e m a t i c 1 3 3 锁相放大技术法 光纤甲烷传感器的光源端发出一个周期性方波信号，那么在传感器的接收端 会接收到一个周期性方波信号，光电变换后为同样周期的方波电信号。图1 - 1 为 锁相放大器结构框图。 6 待测信号 光 图1 - 5 为锁相放大器结构框图 f i g1 - 5t h es t r u c t u r eo f p h a s e - l o c k e da m p l i f i e r 待测信号光经过光电探测器后，周期性脉冲方波的时域函数( 不考虑时间延 迟) 为： 匕( t ) = 其中( t ) 为周期信号： 圪i j f + r ) = 匕( t ) 0 t t ( 1 - 3 ) ( 1 - 4 ) 傅立叶展开为： 圪( r ) = ；+ - 等( s i n c o t + 三s t n 3 缈r + ；1s i n 5 缈r + ) c - 一5 ， 经过带通滤波器后待测方波信号变为正弦波( 考虑初始相位不为零) ： 圪( f ) = 形s i n ( o t + 8 ) ( 1 6 ) 信号发生器提供一个同频率的方波信号，的幅值v 可以设定： ( t ) 0 t t ( 1 7 ) 含有待测信号圪( 臼) 与参考信号圪经过模拟乘法器后输出： 7 、l r 一0 一 一 f f 一 一 o n 一-，、r一2 圪- 训一 丁一2 ， 一 一 f f p l o t ( t ，z ) 图2 一1 4 乘法仿真结果 f i g2 - 1 4m u l t i p l i c a t i o ns i m u l a t i o nr e s u l t s 在用m a t l a b 做仿真时，只能是对输入信号有相位差时的模拟乘法器进行分析， 仿真的结果只能说明实验中应该得到类似与仿真结果的波形，仿真中的数值没有 实际意义。 2 5 本章小结 本章先分析了气体分子的近红外吸收原理和甲烷的吸收光谱，接着介绍了微 弱信号检测的相关检测原理，最后对锁相放大器的带通、低通和模拟乘法电路进 行理论分析和仿真。 2 4 韭星叠盟厶堂丝堂擅监塞控刮丕蕴啦生照盈盐 3 检测系统的电路设计 光纤甲烷检测系统由光电探测嚣、前置放大电路，滤波电路，相敏检波电路 和低通滤波和显示电路组成。参考信号由信号发生器提供。下图是系统框图： 3 1 光电探测器 幽3 - 1 检测系统原理框图 f i g3 - is c h c r a a t i c 蛳o f d c t e c t i o ns y s t e m p i n 光电探测器是一种体积小、重量轻、灵敏度高、响应速度快的半导体器件， 核心是由p 型和n 型半导体材料形成的p n 结。当半导体材料吸收光能后，在p n 结上会产生伏特效应，将光信号转变为电信号。 光探测器的选择原则为：光电转换效率要高；响应速度快，线性好，信号失 真尽量小；检测中附加噪声要小。本系统选择的探测器适合于1 5 5 0 r n 附近的光探 测，在工作波长上光电转换效率高、响应速度快、噪声小。 图3 - 2 实验中使用的光电探铡器 f i g3 - 2f i g u r e o f p h o t o d c t e c t o r 本实验选用的是北京康冠的同轴尾纤探测器，探测器的性能指标见表4 1 表4 1 p i n 的性能指标 t a b 4 1p e r f o r m a n c ei n d e xo fp i n 参数符号 单位测试条件最小值典型值最大值 波长响应范围 五n ml l o o1 7 0 0 暗电流 i d n a k = - 5 v2 5 。c l 响应度 ra | w 矿= 一5 v 0 8 8 兄= 1 3 1 0 n t o 光敏面直径彩 所 7 5 响应时间 t r t f n s r l = 5 0 q 0 1 电容 c p f矿= 一5 v 0 7 5 传输速率 c g b s1 2 5 2 5 作为光接收器件，光电探测器的响应速度直接影响接收的信号速率，是一个 重要参数。光电二极管的结电容和负载电阻构成的r c 时间常数直接影响光电探测 器的响应速率嬲1 。在接收单元，为使光电变换后信号不失真，应满足 上五r c ， ( 3 1 ) 其中r 是与光电二极管串联的电阻，包括引线电阻和外界负载电阻。c 是光 电二极管的结电容，厶是信号速率。在实验中测得光电二极管的结电容约为l n f ， 远大于产品参数中的0 7 5 p f ( 大约为1 0 0 0 倍) ，光电变换的不失真信号速率约为 2 5 m b s 。图3 3 为光电变换的电路图，图3 4 为光电变换后的电信号。 图3 3p i n 外围电路图 f i g3 - 3e x t e r n a lc i r c u i to fp i n 韭峦窑垣占堂壅主望焦监窑捡捌基毪曲虫照垃盐 蠢啊霸 霞麓量i 选趟 圈3 4 光电变换后的信号 h g3 4s l g 明lo f p h o t o c l e c h - l cc o n v e r s i o n 调试电路时，激光器输出约为7 5 t z w 信号约为6 0 m v ，噪声约为4 0 m v 。信 噪比为： s n r = 嗽器“5 d b ( 3 - 2 ) 3 2 前置放大电路设计 图3 前置放大电路 f i g3 5p r e - a m p l i f i c x c i r c u i t 图3 5 2 是系统的前置放大电路图，前置放太器是微弱信号检测部分的第一级， 决定了光接收机的基本性能，如接收灵敏度、带宽等，是整个光接收机中最重要 的。由于检测的信号很微弱，要求前置放大器具有低噪声性能。在前置放大部分 选用低噪声芯片l m h 6 6 2 2 ，该苍片是是噪声为1 6 n v , h z z ，带宽为1 6 0 m h z 的低噪 声、宽带的芯片，该芯片里有2 个运放，每个运放的外围电路接法为同相比列运 算电路，构成了二级前置放大电路，等效电路图见圈3 - 6 ： 韭丛窑堕厶堂亟l 堂位迨立撞型垂筮曲丑踏逛让 在第一个运放中 放大倍数为 在第二个运放中 放大倍数为 图3 - 6 前置放大器等效电路图 f i g3 击e q u i v a l m t c i r c u i t o f p r e - a m p l i f i 盯 “= ，+ 惫 + 鱼：1 + 坚：1 1 且。 3 0 0 图3 刁一级前置放人后的信号 f i g3 - 7 t h es i g n a la f t e r f i r s t p r ea m p l i f i e r ( 3 3 ) ( 3 5 ) o - 7 ) = 黔等 ，l 一一 = 坼 鱼马 e 塑g 堕厶! ；! = 熊! ：望位啦塞捡捌墨缝曲生路邀盐 为 图3 7 是经过一级放大后的信号。信号约为7 0 0 m v ，噪声约为7 0 m v ，信噪比 册= 嘶丽7 0 0 m f = l o d b 经过一级放大后信噪比提高了6 7 倍。图3 书是经过二级放大后的信号。 磷宣面i i i 豳蝴 幽3 - 8 二级放人后输出的信号 r g3 t h e m g n a la f t e rs e c o n d p r e - a r a # i f i 盯 固墨墨曩曩墨啊雹圈墨墨墨墨墨田墨墨雹圈 目3 - 9 信号的上升沿 f i g3 9 t h e “ge d g eo f s i g n a l 幽3 - 1 0 信号的r 降沿 k g3 1 0 t h e f a l l i n ge d g eo f s i g n a l 信号约为15 v ，噪声为2 0 m v ，频率为25 m h z 。 信噪比为： 跚= 1 蟾旦筹= 1 8 7 d b 0-8)20m 。 r 信号质量较好，可以用于下级电路调试。 3 3 带通滤波电路设计 图3 - 1 1 带通滤波电路图 f i g 3 11t h ec i r c u i to f b a n d - p a s sf i l t e r 图3 一1 1 是带通滤波电路图，该电路是在二阶带通滤波电路的基础之上改变得 出的。区别是此电路在运放的负输入端与输出端之间加入5 p f 独石电容，可以有 效的减小输出信号的噪声。滤波电路的等效电路见图3 1 2 。 v o 图3 1 2 带通滤波电路等效电路图 f i g 3 1 2h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f b a n d - p a s sf i l t e r 图3 1 3 是方波通过带通滤波器后的结果，由图可以看出，将仿真实验得出来 的理论值用于实际电路调试，滤波效果很好，得到了含有待测信息的正弦信号。 信号周期是2 5 m h z 。 e 塞趸盟厶全亟士芏垃逾塞撞趔基蕴的电路选让 图3 - 1 3 带通滤波电路结果圉 f i g3 - 1 3 t h er e s u l to f b a n d - p o s s f i l t e rc i r c u i t 目3 1 4 + 5 v 电源 f i g3 - 1 4 + 5 v d o w e r 电源部分负责给板子提供- + 5 v 电压 电源稳定芯片。 幽3 - 15 5 v 屯源 f i g3 - t 5 - 5 v p o w e r 使用电源芯片分别为l m 7 8 0 5 和l m 7 9 0 5 在带通滤波后，设计了电压跟随电路，见图3 一1 3 。电压跟随器的输入阻抗高， 可达到几兆欧姆，而输出阻抗低，通常可以到几欧姆。使得它在电路中可以起到 阻抗匹配的作用，能够使得后一级的放大电路更好的工作。 刚3 1 6 电压跟随电路 f i g31 6 t h ec i r c u i to f v o l t a g e f o l l o w i n g 龟 一每h 。， 胃 输出电压的全部反馈到反相输入端，就构成电压跟随器。b 端的输出信号与a 端的输入信号相同。电路引入了电压串联负反馈，其反馈系数为1 。由于 u o - - - - u p - - u ，故输出电压与输入电压的关系为 u o = 吩( 3 9 ) 3 4 相敏检波电路设计 由2 4 节的理论分析知，锁相放大器是一种以相关检测原理为基础的信号处理 电子电路。输出信号并不是输入信号的单纯放大，而是利用互相关的原理设计的 同步相干检测电路，它使检测部分抑制噪声的能力提高了几个数量级。 在锁相放大器中，相敏检波器( p s d ) 起着关键的作用，p s d 实际上是模拟乘法 器。在本系统中使用的模拟乘法芯片是a d 8 3 5 ，电路实习的功能是输入信号x ，y ， 输出信号是w = x y 。 图3 1 7 相敏检波电路 f i g 3 - 17p h a s e - s e n s i t i v ed e t e c t i o nc i r c u i t a d 8 3 5 的芯片内部包含有x 和y 差分输入放大器、求和输出缓冲放大器。 图3 1 8a d 8 3 5 的内部结构图 f i g 3 18t h es 仃u c t u r eo f a d 8 3 5 它作为乘法器的应用计算公式如下： 3 2 业直蛮堡厶堂亟主堂擅监蛮垃型丕堑曲生蹬丝盐 ：竖! 苎出! 型+ z u 式中所有参数的单位均为电压，u 为缩放比例系数。当u = i v ，z = o 时，有w - x y 。 由a d 8 3 5 构成的乘法器电路图如下，比例系数u 可以利用在引脚端w 和z 之 间的电阻分压进行调节。 幽3 - 2 0 乘法器的阿路输入信号 f i g3 2 0 t h e i n p u ts i g n a lo f m u l t i p l i e r 因为正弦信号是方波带通滤波的结果，所以正弦信号与方波相比有约有3 4 周 期的时延。依据锁相放大器工作原理，两路信号相乘再进行低通滤波的结果应浚 足负值。图孓2 l 为乘法器的输出信号，是一个含有待测信号信息的直交流混合信 业噩奎盟厶堂亟= j 兰鱼监塞盐趔垂埴曲生堕噬址 号。 吲3 - 2 1 乘法器输出信号 f i g3 - 2 1 t h eo u t p u ts i g n a lo f m u l t i p l i e r 3 5 低通滤波及显示电路设计 斟3 2 2 低通滤波电路剀 f i g3 - 2 2 t h ec i r c u i t o f l o w p a s s f i l t e r 图3 2 2 是低通滤波电路该电路是在压控电压源二阶低通滤波电路的基础之 上改变得出的，在压控电压源二阶低通滤波电路的负输入端和输出端接5 n f 的电 容，起到滤波作用。低通滤波电路的等效电路见图3 2 2 。 从图3 - 2 3 可以看出电路中即引入看负反馈，又引入了正反馈。当信号频率趋 于0 时，由于c 的电抗趋于无穷太时，由于e 的电抗趋于0 ，因而u 。“1 寸0 。 可以想象，只要正反馈引入得当，就即可能在f = f o 时使电压放大倍数数值增大， 又不会因正反馈过强而产生自馓振荡。因为同相输入端点位控制由集成运放和冠， 足组成的电压源，故称之为压控电压源滤波电路。 a溢g里薹需 些gg 堕厶望亟士芏位泣塞控制盘笪曲电路监、丌 用。 图3 2 3 低通滤波器电路 f i g3 - 2 3 t i l ec i r c u i t o f l o w - p a s s f i l l e r 取置= 8 6 劬，是= 5 1 1 q 。因为g = 5 口f ，容抗比置太很多。所以只起到滤波作 图3 2 4 是低通滤波的结果，由图可见低通滤波后是负的直流电压 凹32 4 低通滤波器电路 f i g3 - 2 4 t h ec i r c u i t o f l o w - p a s s f i j l 盯 低通滤波之后用一个量程为2 0 v 的表头显示直流电压值 微弱信号检测系统的实物图如下： 崮32 5 系统的实物幽 f i g3 - 2 5t h e f i g u r e o f t h es y s t e m 蓼 3 6 本章小结 本章介绍了在基于锁相放大技术的微弱信号检测电路设计和调试方面的工 作，包括光电探测器，前置放大电路，带通滤波电路，相敏检波电路，低通滤波 及显示电路。并给出了每一模块的实验结果。 3 6 4 1 稳定性实验 4 光纤甲烷传感器检测实验结果 在光纤甲烷传感器中稳定性一般是指整个检测系统的稳定性。如果整个系统 是稳定的，那么近似可以认为光接收部分也是稳定的。故可通过系统稳定性实验 来确定接收部分电路的稳定性。光纤甲烷传感器稳定性实验系统图如4 1 。 lo 圈n 光接收及信 i削 号处理系统 图4 1 稳定性实验系统图 f i g4 - 1t h es y s t e mo fs t a b i l i t ye x p e r i m e n t 考虑n 1 6 6 ，u m 同1 3 3 p m 波段相比较，甲烷在此处有更强的吸收，而其它气体 如水蒸气、二氧化碳等在此处无明显吸收，因此选择五= 1 6 6 5 1 8 0 r i m 做为测试波长。 信号频率为2 5 m h z ，取直流偏置电流为5 8 m a ，交流偏置为3 3 2 m a 。目前实验室 只有1 0 0 浓度的甲烷气体。实验步骤如下： ( 1 ) 将光源、气室和光接收系统按照原理图搭好。 ( 2 ) 把1 0 0 的标准甲烷气体由进气口注入气室，用一根管子将由出气口出来 的气体引到室外。大约经过2 分钟，认为气室内只有1 0 0 浓度的甲烷气体。 ( 3 ) 打开光源，缓慢调节控制直流工作电流的精密可调电位器，使得激光器的 直流工作电流达到激光器阈值，而后调节控制脉冲工作电流的精密可调电位器， 使脉冲工作电流缓慢增加，使激光器输出2 5 m h z 的方波信号。 ( 4 ) 系统连续运行5 小时，每隔半小时给气室注入上述1 0 0 浓度的气体，并记 录光接收系统显示的直流电压k 值。 实验数据如表4 1 所示。 表4 1 稳定性实验数据 时间 1234567891 0 h k ( t ) o 1 5 5 0 1 4 5- 0 1 4 90 1 5 90 1 6 5 0 1 5 60 1 4 30 1 5 30 1 6 5 - 0 1 4 8 因为待测信号和参考信号有一定相差，所以输出电压值为负数。由数据可以 计算： 3 7 矿- = 去善= 。5 4 方差为： 仃2 = 去0 莘k 2 一( 土1 0 莘k ) 2 = 5 3 6 ，。巧 l 午i午j 标准差为： 仃= 0 0 0 7 系统5 小时稳定度为： 6 = i - 0 1 6 _ 9 0 1 5 0 1 5 4 ) 。= 。9 6 系统i 小时漂移为：0 1 9 2 综匕可知系统稳定件良好。 4 2 气体扩散实验 ( 4 1 ) ( 4 2 ) ( 4 - 3 ) ( 4 - 4 ) 为了估算光接受系统能探测到的最低甲烷浓度值，设计了气体扩散实验。实 验系统图见图4 1 。实验步骤如下： ( 1 ) 将光源、气室和光接收系统按照原理图搭好。 ( 2 ) 测量没有充入甲烷气体时检测系统的输出电压值，即圪。 ( 3 ) 把1 0 0 的标准甲烷气体由进气口注入气室，用一根管子将由出气口出来 的气体引到室外。大约经过2 分钟，认为气室内只有1 0 0 浓度的甲烷气体。 ( 4 ) 依照稳定性实验中的方法打开光源。 ( 5 ) 将气室的两个气口打开，记录检测系统输出的电压值k 。 考虑到气体刚开始扩散较快，先每隔2 分钟记录一个k 值，记录1 0 组，接着 然后每隔5 分钟记录一个值，记录5 组，然后每隔1 0 分钟记录一个值，记录4 组， 然后每隔2 0 分钟记录一个值，记录3 组。 根据公式： c = - 上l n ( 塑) ( 4 5 ) l 、v o 。 式中l 为5 e m ，口，取2 4 0 3 。处理数据得到甲烷浓度时间的关系，参见图4 2 ： 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0 时问o o s ) 图4 2 扩散实验甲烷浓度时间曲线 f i g 4 - 2t h er e s u l to f p r o l i f e r a t i o ne x p e r i m e n t 检测系统可以探测到的最小的k 值为0 0 1 8 v ，对应的甲烷气体浓度为8 9 。 实验结果分析：根据式( 1 - 8 ) ， k ：堕c o s 口 乃 因为待测信号与参考信号有一定的相位差，所以输出的k 值比相位差为o 时 输出的k 要小，使检测系统能探测到的最小甲烷浓度值偏大。以后在改进方案时 可以加入相位调制系统，使模拟乘法器两路输入信号相差为0 ，这样可以提高系统 的分辨率。 4 4 本章小结 本章主要讲述了光纤甲烷传感器的稳定性实验和气体扩散实验的步骤和实 验结果。由稳定实验得出了光纤甲烷传感器的5 小时稳定度为0 9 6 。由气体扩散 实验得出了系统可探测到的最低的甲烷浓度值为8 9 。系统还具有响应时间短， 使用寿命长等特点。 3 9 柏 幻 o 串u 憾肇 5 结论 在攻读硕士学位期间，本人在介绍光谱吸收型光纤气体传感器的原理特性的 基础上，利用微弱信号处理的方法，设计并制作了基于锁相放大技术的光纤甲烷 传感器的光接收和信号处理器，使其可以实现接收和处理调制频率为2 5 m h z 的信 号。将研制出来的信号处理器应用于基本结构光纤甲烷传感器，做了系统稳定性 实验和气体扩散实验。得出该系统5 小时稳定度为0 9 6 ，可以探测的甲烷气体浓 度的最小值为8 9 。并分析了限制系统灵敏度的因素。 对于光纤甲烷传感器的光接收和信号处理器，还可以做如下的改进工作： ( 1 ) 在锁相放大器中加入相移电路，以提高检测系统的灵敏度。 ( 2 )