光纤甲烷传感系统及光源驱动设计

分类号 学号 M200972984学校代码 10487 密级 硕士学位论文光纤甲烷传感系统及光源驱动设计学位申请人： 王 涛学科专业： 光学工程指导教师： 刘德明 教授答辩日期：2011.5.28A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringFiber methane gas sensor system and the light source driverCandidate:Wang TaoMajor:Optical EngineeringSupervisor:Prof. Liu DemingHuazhong University of Science & TechnologyWuhan 430074, P. R. ChinaMay, 2011独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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。学位论文作者签名：日期： 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学校有关保留、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。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于保密， 在 年解密后适用本授权书。不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文摘 要近年来煤矿事故频发，在社会上引起巨大反响。在煤矿事故中伤亡最大的首推瓦斯事故，因此建立一套瓦斯在线实时监测系统是非常必要的。光纤传感有灵敏度高、响应速度快、易于布网等特性，而且光信号的安全性和无污染性使得光纤传感在检测易燃易爆气体上得到了迅速的发展。本论文主要介绍了一套光纤甲烷传感系统。该系统是基于光谱吸收原理的甲烷浓度检测系统，系统以SLED作为探测光源，经宽带包络滤波器滤出检测波段，然后由梳状滤波器滤出与甲烷吸收峰对应的探测光和不会被甲烷吸收的参考光，用PIN探测器检测两路光强信号，对信号进行差分处理后得出检测的浓度信息。本论文中详细介绍了系统的整体架构以及各组成部分的基本参数和选择依据，并实际搭建出了系统实现了检测功能。因为系统是以光强为信号进行检测，因此光源工作的稳定性直接影响着系统的性能。本论文还详细介绍了SLED光源驱动部分的设计，以“恒流+温控”的驱动方式使光源稳定工作。由运算放大器组成的压控恒流源，受单片机的控制可输出0-1A的恒定电流，为了光源的安全工作，同时设计了多重保护电路。温控部分采用PID算法控制，使TEC能及时有效地调整温度，保证光源工作温度的稳定。论文最后给出了系统的测试数据，对数据进行了分析，并根据本系统的特点，给出了数据处理方法。通过实验证明了数据处理的正确性，并得出结论系统误差符合预期目标。关键词：光纤甲烷传感 梳状滤波 差分检测 SLED驱动 恒流源 温控AbstractIn recent years, the coal-mine accident happens so frequently, that it causes great repercussions in society. On the issue of coal-mine accident, the first casualty is the gas explosion, thus establishing the online and real-time gas monitoring system is very necessary. Fiber-optical sensor has the features of high sensitivity, rapid reaction, easy-to-network and so on. Besides, the security and non-pollution of the optical signal makes the fiber-optical sensor have a rapid development in detecting flammable and explosive gas. This thesis will introduce a system of fiber-optical methane sensor.This system is a methane concentration detection system that bases on the principle of gas spectral absorption. The light from the SLED passes a wide-band filter, and then it is filtered by two comb-filter, one is the detection light and the other is the reference light. The two light is detected by PIN, then the signals war processed by the MCU to collect the information of the methane concentration. The thesis analyzes the parameters of the parts, which compose the whole system.The stability of the SLED is very important to the system. In this thesis it also gives the design of the driver of the light source. The driver is composed by constant-current source and temperature controller. The constant-current source can export 0-1A current under the dictate of MCU, and the temperature controller can make the source work in the stable temperature. Also there are some protection circuits to promise the safety of the source, and the TEC is controlled by the PID circuit to promise the stability of the temperature.At the end of the thesis, gives some test data of the system and the processing method of the data.Key words: Fiber methane gas sensor Comb-filter Differential detectionSLED driver Constant-current source Temperature controller目 录摘 要IAbstractII1 绪论1.1 引言11.2 光纤气体传感简介11.3 光谱吸收型气体传感器研究进展21.4 本论文研究内容42 光谱吸收光纤传感器原理及方法2.1 光谱吸收原理52.2 Lambert-Beer定律52.3 直接吸收检测法62.4 频率调制谐波检测法72.5 差分吸收检测法92.6 光纤环形衰荡腔法112.7 本章小结133 系统整体设计3.1 吸收谱线选择143.2 光源选择173.3 传感头选择183.4 探测器选择193.5 数据采集和处理223.6 系统整体架构233.7 本章小结244 光源驱动设计4.1 电源单元设计264.2 恒流源设计274.3 中心控制单元324.4 温控单元334.5 本章小结375 系统整体实验5.1 光谱实验385.2 恒流源测试415.3 甲烷吸收实验及信号处理425.4 示值对比实验465.5 本章小结486 总结与展望49致 谢50参考文献51541 绪论1.1 引言煤炭产业是我国国民经济的重要基础产业之一，煤炭一直是我国重要的基础资源和原料。然而煤矿安全事故的频频发生，使得此基础产业一直处于舆论的风口浪尖。据统计，我国煤矿的百万吨死亡率比其他发展中国家要高出2倍以上。大量的煤矿事故不仅给国家和人民造成了巨大的经济损失，而且还对矿工造成了生命威胁，给社会造成不良影响。在众多矿难中，瓦斯事故造成的死亡率是最高的。统计显示，我国一次死亡10人以上的煤矿特大瓦斯事故其死亡人数占总煤矿事故死亡人数的69.5%，一次死亡百人以上的特大瓦斯事故死亡人数占65.4%，国外一次死亡30人以上的特大瓦斯事故死亡人数占95.3%1。由此可见瓦斯的危害性有多大，为了减少矿难的发生，必须提高瓦斯监测技术。而甲烷是瓦斯的主要成分，及时准确地监测甲烷的浓度信息，对煤矿安全生产有重大意义。自二十世纪七十年代以来，电子技术有了飞速的发展，基于该技术的各种检测甲烷气体的技术也相继被提出并得到发展。目前，检测甲烷的方法主要有：半导体气敏法、催化燃烧法、气象色谱法、红外光谱法和光纤法等2。其中，因光纤气体传感器，特别是基于红外光谱吸收原理的光纤甲烷检测传感器完全用光纤传输信号，减小了电信号传输的安全隐患，且具有灵敏度高、响应速度快、动态范围大、耐腐蚀、体积小、不受电磁干扰等优点3，在近年来得到了迅速发展，而且具有广阔的发展前景。1.2 光纤气体传感简介基于光电传感技术的光纤气体传感器用于环境监测、工业气体过程控制，尤其在恶劣环境下的在线、连续监测方面发挥着重要的作用，有着不可替代的优势。主要的光纤气体传感有以下几种4：(1) 染料指示剂型光纤气体传感染料指示剂型光纤气体传感是利用染料指示剂作为中间物来实现间接的气体浓度测量。其检测原理是：选择可与气体发生化学反应的染料，染料的光学性质会随着气体浓度的不同而发生不同程度的变化，以光纤传感器测量出染料光学性质的变化就可以间接测出气体的浓度信息。然而该方法有指示性弱，受环境影响较大等缺点，难以作为气体鉴别的唯一依据。(2) 光纤荧光气体传感光纤荧光气体传感器是一类用途广泛的气体传感器。气体本身可以产生荧光，然而有些气体荧光会非常弱无法检测到，所以往往会选择可以与气体相互作用的荧光物质来产生荧光。荧光物质吸收特定波长的光能量会产生荧光，荧光辐射强度和寿命都会受气体浓度的影响，检测出荧光的强度或辐射寿命就可以检测到气体的浓度。荧光的辐射波长直接反应了荧光材料的物质结构，因而荧光传感器对不同的被测气体有很好的鉴别性。荧光气体传感应用的限制因素是检测信号比较弱，需要复杂的检测系统，从而抬高了系统的成本。(3) 光纤折射率变化型气体传感有些材料的体积或者折射率对气体比较敏感，将这样的材料取代光纤包层或者将其涂敷于光纤端面组成传感单元，气体浓度的变化会引起传感单元折射率等的变化，从而引起有效折射率、损耗或双折射等光纤波导参数的变化。通过检测这些波导参数的变化，可获得气体浓度的信息。一般可用光强检测或光干涉测量手段直接测量光纤波导参数的变化，以获得气体浓度的信息。(4) 光谱吸收型气体传感光谱吸收型气体传感器是基于朗伯-比尔定律工作的，气体对特定波长的光会有吸收，CO2、CH4等气体在1.6m波段有泛频吸收线，这些吸收线正好处于光纤透射窗口。检测光强因气体的吸收而产生的衰减，就可以检测气体的浓度。另外改变检测的波长就可以使系统检测其他特定气体。此方法具有灵敏度高，响应速度快，抗干扰能力强，且容易组合成大的监测网络等优点，因此该方法是目前光纤气体传感器的主要研究方向。根据测试方法的不同，该方法还细分为很多类，这将在第二章中介绍。1.3 光谱吸收型气体传感器研究进展利用光谱吸收法进行气体浓度监测最早是由日本Touhoku大学电子通信研究所的H.Inaba和K.Chan等人提出的。1979年，他们提出了利用光纤进行长距离大气污染监测5。直到1983年，光纤甲烷浓度检测系统才得以正式报道，该系统用InCaAsP的LED做宽带光源，配合窄带干涉滤光片对甲烷1331.2nm附近的Q线进行检测，利用10km多模光纤传输信号，用0.5m长气室作为传感单元，系统的最小灵敏度为25%LEL6。并且在1985年他们又利用InCaAs的LED做为光源监测了1665.4nm附近的吸收峰，因为甲烷在该波段的吸收强度比1331.2nm的大一倍，因此这次测得的灵敏度也比之前系统的灵敏度提高了近一倍7。因为甲烷、二氧化碳等气体的吸收峰具有非严格的梳状分布的性质，用窄带梳状滤波片对准某几条吸收峰进行检测就会比只检测一条吸收峰或利用宽带光检测的灵敏度要高出数倍。此方法曾在1987年被J.P.Dakin和C.A.Wade等报道过 8。虽然利用各种方法已经使气体传感器的灵敏度达到了很高的地步，达到了工业运用的需求，但是因为系统用于单点测量显得成本过高，因此很难应用到工业实际。由于光信号具有巨大的带宽且易于成网，采用合适的光纤复用技术就可以实现单系统多点检测，这样单个检测点的平均成本就会很低了。1998年，英国Strathclyde大学的G Stewart利用一个光源多套光信号探测和信号处理设备组成了一套空分复用多点光纤气体传感器，当复用数量不多时多点系统的精度与单点系统的相同。2000年Miha Zavrsnik又报道了一种复用系统，该系统是基于相干复用的串联复用系统，系统的结构比较简单，但是由于本身的局限性检测灵敏度不高9。因为技术和历史条件等原因，光纤气体传感的研究在国内起步比较晚，但在近二十年来也有了快速发展。特别是近些年来国家在煤矿安全方面的巨大投入使甲烷传感器得到了飞速发展。1989年郭栓运在应用光学杂志上，介绍了利用差分方法检测气体成份含量的光纤传感器的基本原理，给出了实验框图并列举了具体应用实例10。1997年曹茂永等11，讨论了吸收光谱型甲烷传感器的波长选择问题，并第一次系统地讨论了气室长度、光电器件参数对测量误差和灵敏度等的影响，建立了数学模型，给出了利用传感器的技术指标对这些参数进行选择的方法。1998年刘文琦等介绍了一种新的提高气体检测灵敏度的方法，他们利用纳米级多孔透射膜取代传统的增加气室长度等方法来增加气体的吸收长度，该方法不仅提高了检测灵敏度而且对气体有更好的选择性，但该方法也存在着响应速度和恢复速度慢的缺点12。2010年吴希军等报道了用取样光栅滤波的光纤甲烷差分检测系统，利用取样光栅得到梳状光谱，提高气体吸收强度，得到了0.01%的灵敏度13。1.4 本论文研究内容本论文主要研究内容包括：(1) 研究基于光谱吸收原理的甲烷浓度检测方法，确定系统检测方案(2) 构建系统架构，分析各组成部分的性能需求，并做出选择。(3) 设计了SLED光源的驱动电路，包括恒流、温控及控制等。(4) 搭建系统，并完成系统的测试及数据分析处理2 光谱吸收光纤传感器原理及方法2.1 光谱吸收原理分子的吸收光谱由分子的结构以及振动模式决定的。分子的核外电子处于不同的能级，这些能级是离散的。当有光照射时，各能级电子会吸收相应能量的电子而发生能级跃迁。因为各能级是离散的，分子只能吸收能量等于某两能级能量之差的光子，即只能吸收相应波长的光子。分子吸收光子后处于激发态，但在激发态分子是不稳定的，会释放能量而回到基态，释放的能量以光子的形式放出，但方向是不确定的，这就相当于入射方向上的光子被散射掉了。由于不同气体分子的结构不同，因此吸收谱也不会相同，通过检测特定波长的光的吸收就可以判断出气体的浓度或者种类。根据经典力学的观点，分子的振动状态可以用基频、倍频及合频来描述14，甲烷气体分子有四种固有振动频率，即基频，分别为：1=2913.0cm-1，2=1533.3cm-1， 3=3018.9cm-1，4=1305.9cm-1。每个振动基频对应一个光谱吸收区，因此对应的本征吸收谱波长分别为：3.43m，6.53m，3.31m和7.66m。在中红外区，光纤传输的损耗是很大的，因此甲烷光纤传感器一般选用甲烷分子的倍频或合频对应的近红外吸收区，如23和23+2。虽然在这些频带吸收比基频小很多，但是可以通过各种手段提高相对吸收程度，达到所需的检测灵敏度。2.2 Lambert-Beer定律光的吸收定律是研究光谱吸收的基本定律15，是由朗伯和比尔分别于1760年和1852年提出的，它包含两条基本定律。在适当波长的单色光照射吸收介质时，其吸光度与光通过的介质的厚度成正比，即朗伯定律；当适当波长单色光通过一定厚度的均匀溶液时，吸光度与溶液浓度成正比，即比尔定律。此定律同样适用于气体。当一束光强为I0，波长为的光通过一段长度为L，浓度为C的气体后，出射光强为I，定义T为通过率，即 (2-1)并定义吸光度A为： (2-2)根据朗伯-比尔定律有： (2-3)即： (2-4)其中 为气体在波长处的吸收系数。但是Beer-Lambert定律有一个适用的前提条件：吸收物质间无相互作用16。所以不是任何情况下都能用该定律的（如气体浓度很高时，气体物质间的相互作用就不能不考虑了）2.3 直接吸收检测法根据朗伯-比尔定律，由式(2-4)可得： (2-5)因此，当已知波长和相对应的吸收系数及光通过气体的光程，则通过检测入射光和出射光的光强便可得到目标气体的浓度。直接吸收检测法就是让一束平行光直接通过目标气体，检测输出光强的变化获得气体浓度。原理图如图2-1所示。图2-1直接吸收检测原理图直接吸收法的系统容易实现，但系统中的干扰如光源不稳定、系统噪声、环境影响等无法消除或减小，使得该方法抗干扰性差，检测精确度和灵敏度低。该方法在实际中基本不被采用。2.4 频率调制谐波检测法因气体的吸收系数一般都比较小，所以探测到的信号是很微弱的信号，而谐波检测是一种广泛应用于微弱信号检测的基本方法。谐波检测的基本原理是，将某个依赖于频率的信号（如光强、波长、吸收系数等）调制成为高频，使其扫描待测的特征信号，用锁相放大或累积法记录下基频和某个倍频的信号，在处理系统中，用基频或倍频作为参考信号，并对两路信号进行相除以消除干扰的影响从而只取与浓度有关的信号。谐波检测法一般采用窄带DFB激光器作为探测光源。谐波检测的基本原理图如图2-2所示：图2-2谐波检测原理框图因为DFB激光器的输出频率是其注入电流的函数，因此通过调制其驱动电流就可以得到光源输出频率的高频信号。设将一个角频率为的正弦信号叠加在在激光器的驱动电流中对光源进行调制，则其输出频率和光强可以表示为 (2-6) (2-7)式中表示未经调制时激光器输出的中心频率，表示调制幅度， 表示光强调制系数。令f为电流调制频率，则 。将式（2-6）、（2-7）代入式（2-4）可得 (2-8)在满足的条件下可以利用近似公式 (2-9)又因为光强的调制系数也比较小，所以可以舍去最小项 (2-10)最终可将式（2-8）近似为 (2-11)在标准大气压的实验条件下，吸收光谱的碰撞加宽起主要作用，甲烷分子的吸收线型可以用Lorentz曲线描述 (2-12)气体吸收线中心的吸收系数用表示，吸收线的中心频率和半宽分别用和表示。将式（2-12）代入式（2-11）可得 (2-13)当光源输出的中心频率被精确锁定在气体吸收峰上时，则有，化简式（2-13）可得 (2-14)定义。对式（2-14）展开傅里叶级数序列，可得到它的一次谐波（f）和二次谐波（2f）的系数分别是 (2-15) (2-16)其中 (2-17)为的函数，调节即调节频率调制幅度可以使二次谐波系数达到最大。当k达到最大值时，由式（2-17）可得，在这种情况下，k=0.343由式（2-15）、（2-16）可以看出，一次谐波分量是输入光强和光强调制系数的函数，幅度正比于光源的平均功率，和气体浓度无关，可以用来作为参考消除光源功率波动的误差。二次谐波分量是浓度、气体吸收系数、光路长度、输入光强的函数，因此检测二次谐波可以获得气体的浓度信息。为了消除光源波动等产生的共模噪声，可以用二次谐波和一次谐波的比值作为输出，求得浓度。由式（2-15）和（2-16）得 (2-18)通过对光源的频率调制，可以消除光源波动等固有噪声的影响，提高检测的灵敏度和精确度，使甲烷的超低浓度检测成为可能。但因系统实施稳定度要求较高，实施起来比较困难，成本较高，在实际中还存在一定的局限性17-20。2.5 差分吸收检测法差分检测技术的目的在于消除光源波动，光纤传输过程的干扰以及外界环境对系统的干扰，从而提高检测系统的精确度和灵敏度。差分检测的基本原理是，将输入光分成两路，其中一路光通过检测物质时带上了所需要的检测信息；另一路光通过或者不通过检测物质，只作为参考信息。因两路光由同一个光源发出，且在传输过程中受到同样的干扰影响，所以通过对两路光信号的对比就可以消除这些干扰，提取到所需要的检测信息，得到准确的气体浓度。在实际运用中，Lambert-Beer定律需要考虑光路的各种影响因子，其公式变为 (2-19)其中为光路的干扰系数。从式（2-19）可以看出仅用一路光来确定待测气体浓度是比较困难的，因为是一随机变量，无法确定其准确表达式。如果有两路光1、2（相隔很近，但在吸收系数上有很大差别）同时通过待测气体，则可认为光路环境等对两路光的干扰系数相同。两路光的透射光强分别为 (2-20) (2-21)从式（2-20）和（2-21）可推导出浓度C的公式为 (2-22)因为干扰系数相同，即，所以式（2-22）可以化简为 (2-23) 理论上，可以调节光路的传输系数K1和K2使,因1为吸收波长，2基本不被吸收，所以，将对数进行泰勒展开最终浓度公式可以化简为 (2-24)从式（2-24）可以看出差分检测技术不仅消除了光路干扰因子的影响，还消除了因光源输出光功率不稳定造成的影响。差分检测一般有单波长双光路法和双波长单光路法两种21,22。(1) 单波长双光路法单波长双光路法是只采用单个波长（与气体吸收峰对应）的单色光，通过分束镜后分成两路，一路进入含有甲烷气体的气室，一路通过不含甲烷的密封气室作为参考信息。因为甲烷的吸收谱比较窄，为了提高对比度和灵敏度，必须采用窄带激光器作为光源。该方法的原理图如图2-3所示：图2-3 单波长双光路原理图 采用该方法可以比较好的消除光源不稳定造成的影响，但是在传输过程中分成了两路，各路的干扰因素会有所差别，因此不能完全消除干扰，给结果造成很大误差。此外，使用的窄带激光器价格也比较昂贵，成本较高。(2) 双波长单光路法双波长单光路法采用的是宽带光源，光源发出的光被两个滤波片滤出两路光波。一路对应甲烷的吸收波长，一路对应非吸收波长。因两路光在同一条光路传输，只在经滤波片后被分开，因此可认为两路光所受干扰相同，通过对比就可以消除干扰。此方法的原理图如图2-4所示：图2-4 双波长单光路原理图双波长单光路法可以消除光源波动，光纤传输干扰等的影响，从而减小探测误差，提高检测系统的精确度。使用宽带光源，降低了成本，光路系统也不是很复杂，容易实现，因此是一种比较有竞争力的方法。2.6 光纤环形衰荡腔法光纤环形腔衰荡技术（FLRD：Fiber Loop Ringdown）是在腔衰荡光谱技术上发展而来的。光纤环形衰荡腔是由两个耦合器和传感单元（如：气室）组成的一个闭合回路，光在环路中循环的过程中不断被损耗，使得输出光强不断减小，形成一个单指数的衰减曲线，通过对衰减时间的测量就可以获得与气体浓度相关的信息23-27。光纤环形腔衰荡技术的原理图如图2-5所示：图2-5 光纤环形腔衰荡技术原理图 光在环形腔中循环时，其光强分布遵循如下公式： (2-25)式中，I为t时刻的光强，A为光在环路中循环一周的固有损耗系数，c为光速，n为纤芯的折射率，L为腔长（一个环形腔内光纤长度）。对式（2-25）积分可得 (2-26)I0为初始入射光强，定义衰荡时间（ringdown time）为光强衰减为初始光强的所需的时间，则可得到环形腔的固有衰荡时间为 (2-27) 当在环形腔中加入传感单元后，光在循环过程中就会加入额外的损耗B，在总损耗就变成了(A+B)，那么衰荡时间变为 (2-28)传感单元的损耗因子B可由式（2-27）和（2-28）得出 (2-29)根据Lambert-Beer定律，由（2-29）式可得到气体浓度为 (2-30)光纤环形腔衰荡技术的优势在于，第一待测量是通过测量衰荡时间来实现的，是一种时域检测技术；第二，探测灵敏度的提高可通过增加光脉冲在光纤环路里循环的圈数来实现；第三，光源光强的波动对结果基本没有影响，对光源的要求较低；第四，通过更换光源即可用于其他气体的探测。2.7 本章小结本章首先介绍了分子的吸光原理和气体的吸光定律朗伯-比尔定律。接着介绍了几种基于光谱吸收技术的光纤甲烷传感器的检测方法，并推导出了各种方法的理论公式。通过这几种方法的对比发现，直接检测法无法准确检测甲烷浓度，无法消除各种干扰；谐波检测系统比较复杂，对系统整体稳定性要求比较高，而且成本较高，而且不能在全量程上进行检测；而光纤环形衰荡腔技术虽然有很大优势，但目前技术还不是很成熟。因此本系统最终选择采用差分检测法，该方法不仅可以消除各种干扰，具有较高的精确度和灵敏度，而且系统相对比较简单。3 系统整体设计3.1 吸收谱线选择3.1.1 甲烷吸收谱线研究上一章讨论了甲烷的吸收谱，其本征吸收谱虽然吸收系数比较大但都在中红外部分，处于光纤传输的高损耗区，不利于光纤的传输。因此，光纤甲烷传感器必须选用甲烷的倍频或合频带振动吸收谱。甲烷的23和23+2频带分别对应于波长为1.6m和1.3m波段，正好处于光纤传输的低损耗区且具有较大的吸收系数。HITRAN数据库（高分辨率分子透射吸收数据库，high-resolution transmission molecular absorption database）是美国空军地球物理实验室为了军事目的，研究大气红外特性需要于20世纪60年代晚期开发的，1973年对外开放该项成果。HITRAN数据库是研究气体吸收光谱的一个重要工具，通过该数据库，可以得到甲烷在1.3m和1.6m波段的光谱图如图3-1所示：1.904 1.818 1.739 1.667 1.600 1.538 1.481 1.429 1.379 1.333 1.290吸收强度 (10-21)波长 (nm)图3-1 近红外波段甲烷吸收光谱图由此可见，甲烷在1.6m波段比1.3m波段吸收强度要大的多。而且通过HITRAN数据库的分析，1.6m波段比较纯净，无其他气体的吸收干扰，在1.3m波段水蒸气也有较强的吸收谱，在应用中水蒸气是无法避免的，因此系统选用1.6m波段作为吸收光谱。吸收系数是研究气体谱线的一个重要参数，其直接反应了气体对光的吸收强弱，而且从吸收系数与波长的对应图中可以获取气体的吸收线形、线宽等信息。根据量子力学和光谱学理论，中心波数位于的单根谱线，其线吸收系数随波数的变化可表示为： (3-1)式中，S表示分子吸收线强度,单位是cm-1/molcm-2；表示吸收线形的归一化函数，单位是cm；N表示单位压强、单位体积下的总粒子数，单位是molcm-3atm-1； 表示光频率对应的波数，单位是cm-1；0为吸收线中心频率对应的波数28。线型函数反映了吸收系数随频率的变化，即谱线加宽。对于气体，主要的谱线加宽是由碰撞引起的均匀加宽(Lorenz线型)和分子热运动引起的多普勒非均匀加宽(Gauss线型)，另外除了这两种加宽类型的影响，气体分子还有自身的自然宽度，但是相对于这两种类型加宽的影响，可以忽略不计。均匀加宽是由于粒子间的相互碰撞引起的，它与压强和分子碰撞界面有关，而非均匀加宽则只依赖于温度T。在压强较低情况下，多普勒非均匀展宽占优势，可以用高斯线型来拟合；当压强较高情况下，碰撞展宽占优势，可以用洛伦兹线型来拟合；在压强处于两者之间情况下，两种展宽机制都存在，这时用Lorenz线形与高斯线型的卷积Voigt线型来拟合29。在标准大气压下（）、温度为室温(T=296K)的情况下，主要的线型函数为Lorenz线型： (3-2)其中，为碰撞展宽半径，用公式表示为 (3-3)为压力展宽系数，n为温度系数。在、T=296K时，N=，由式（3-1）、（3-2）、（3-3）和N便可得到吸收系数。由于气体的吸收谱线往往很密，所以气体在某一频率波数处的吸收系数应是多条线吸收系数叠加的结果，即： (3-4)根据HITRAN数据库中提供的数据，可以用matlab绘出气体的吸收系数图。波长范围从1630nm到1680nm，甲烷气体吸收系数跟波长的关系图如图3-2所示：图3-2 甲烷1.6m波段吸收系数图从甲烷吸收系数图可以看到，甲烷的吸收谱线都比较窄，吸收线半宽小于0.1nm，很难通过滤波片得到所需波长，即使做到成本也很高。若用宽带滤波，则检测灵敏度会下降。通过研究吸收图，发现甲烷吸收谱具有梳状的性质，因此可以通过梳状滤波片滤出多条吸收谱线，增加气体的吸收提高检测灵敏度，而且梳状滤波所滤出的波长可以很窄。3.1.2 吸收光谱获取为了得到与梳状吸收谱对应波长的光，可以使用梳状滤波器或波分复用器。虽然光纤光栅技术已经很成熟，用光纤光栅做梳状滤波器已经不是难题，而且成本很低。但是光纤光栅梳状滤波器会随温度变化发生中心波长漂移的现象，因甲烷吸收线比较窄，所以这对检测结果会有很大影响。所以，这里采用玻璃基片的介质薄膜型树状滤波器，其稳定性好，而且不受环境干扰。利用波长对角度很敏感的特性，可以将同样的滤波片封装称为滤出不同波长的滤波器。封装图如图3-3所示。图3-3 滤波器封装图宽带光从1号光纤经准直后经过滤波片，所需要的波长的光透过滤波片，被准直器准直后由3端输出；其余波长的光被反射后经准直从2号纤输出。调整滤波片的角度，在3端可以得到不同波长的一系列光。在本系统中，由两个滤波器分别滤出信号光和参考光，参考光滤波器的输入光就是由信号光滤波器的2端输出的光，这样可以减小系统复杂程度，提高光的利用率。3.2 光源选择光纤气体传感器系统中，光源的发射谱首先必须覆盖所选择的气体的吸收谱，其次光源的发射功率越大则系统的探测灵敏度就会越高。本系统所选择的是甲烷的多条吸收线，光谱范围有十几个nm，因此所选择的光源应为宽带光源。针对本系统，对光源提出如下要求：(1) 光源光谱涵盖16371649nm波段，且在该范围内具有均匀的功率分布。(2) 光源出射光功率尽可能大。(3) 光源工作稳定性好，能够长期工作。(4) 光源体积要小，便于维护。 半导体光源因其驱动简单、体积小、可靠性高、使用寿命长等特点，被广泛应用于光纤系统中。半导体发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）都属于半导体光源。虽然LD的发射功率较高，但是发射谱很窄，本系统需要光谱比较宽的光源，所以本系统不能使用。LED输出的光谱较宽，一般LED的光谱宽在3060nm。LED光源的波长和谱宽主要取决于其组成的半导体材料和掺杂的材料，通过调配掺杂的比例可以改变发射波长，近红外波长的LED其波长范围为10001700nm。LED的一个最大的缺点是其输出功率比较低，因此在一些需要高功率、宽光谱的场合，LED无法使用。超辐射发光二极管（SLED）弥补了LED的这一缺陷，不仅具有宽光谱，而且有高的输出功率。SLED(Super luminescent Light Emitting Diode，也有文献称为SLD)是一种自发辐射单程光放大光源，具有发射谱宽、高输出功率等特点。当正向电流注入时，有源层内反转分布的电子会从导带跃迁到价带，并且与空穴发生复合而释放出光子，光子在给定腔体中传播时受到增益作用而得到放大30。SLED也有类似于普通激光器的谐振腔，但由于采用了人为的处理和工艺改善，在器件后端面虽然存在一定的反射，但反射强度不足以提供光的反馈，理想情况下在输出端面的反射率为零，SLED输出非相干光。基于SLED的宽光谱、高功率和高耦合效率等特点，本系统选用SLED作为光源。具体型号为DenseLight半导体公司的DL-CS65M5A。其中心波长为1650nm，3dB带宽大于45nm，输出光功率大于10mw。组件采用14引脚金属外壳蝶形封装，内部集成了超辐射发光二极管、TEC和热敏电阻。3.3 传感头选择传感头其实就是提供一段空间，光在这段空间内是在自由空间传播而不是在光纤中传播，气体也是在这段自由空间被吸收的。传感头一般被放入气室中，以保护和防止污染，有时候传感头本身也是一个气室。传感头与气室连为一体的一般都是透射型或反射型气室，就是光经准直后从气室的一端输入，在另一端被耦合进光纤。透射型的气室为了增加吸收光程只能增加气室长度，这样会使气室体积很大，而且在另一端不容易耦合，所以透射型的气室吸收光程往往很短。为了增加光程还可以在另一端装上高反镜，光反射后在输入端耦合，这样同样体积的气室，反射型比透射型光程增加了至少一倍。两种气室的示意图如图3-4所示。图3-4 (a)透射型气室 (b)反射型气室本系统选择传感头与气室分开的方式，气室就是一密封很好的方形盒子，上面有传感头接口和气体进出接口。传感头采用多次反射型的，就是让光在两块平行玻璃之间进行多次反射，这样即可以做到增加光程还可以使传感头的尺寸尽可能小。另外在两块玻璃上镀的是特殊的高反膜，可以进行水洗，以方便传感头的清理。其示意图和实物图如图3-5所示。图3-5 (a)传感头示意图 (b)实物图两平行玻璃板之间距离为2cm，长度为3cm，光在每块玻璃板上个反射7次，计算可得光程约为30.15cm。通过改变光入射角度，还可以再增加光程。3.4 探测器选择在目前技术下，光信号无法直接进行处理，必须把光信号转换成电信号后再处理，光电探测器就是完成光信号到电信号转换的器件。光电探测器工作原理主要基于光辐射与物质的相互作用所产生的光电效应和热电效应。如果光子不是直接与电子作用，而是能量被固体晶格振动吸收引起固体的温度升高，导致固体电化学性质的改变，这种现象称为热电效应。光电效应按是否发射电子又分为内光电效应和外光电效应，内光电效应又包括光电导效应、光生伏特效应、光子牵引效应和光磁电效应31。探测器选择的依据是其特性参量，光电探测器的主要特性参量包括：(1) 响应度光电探测器的响应度用以表征探测器将入射光信号转换为电信号的能力，响应度越高，在相同入射功率情况下，其输出电信号越强。显然探测器的响应度越高越好。探测器的响应度可以用电压响应度或电流响应度来表示，响应度R可表示为： (VW-1) (AW-1) (3-5)为探测器开路输出的基频电压均方根值，为等效短路输出的基频电流均方根值，为垂直入射的光功率。(2) 噪声等效功率（NEP） 探测器本身是存在噪声的，所以即使在没有入射光的情况下，探测器还会有一定的输出。探测器的噪声限制了其对微弱光的探测能力。噪声等效功率定义为，探测器输出的信号功率与噪声功率比值为1时，入射到探测器的光功率，也即最小可探测功率。NEP越小，能探测到的最小光功率越小，探测能力越强。NEP可以用下式来计算， (3-6)I是入射到探测器上的光强，是探测器的光敏面积，P是入射到探测器的光功率，是探测器输出的均方根信号电压，是探测器的均方根噪声电压。(3) 探测率D和比探测率D*只用NEP无法比较出不同类型探测器的性能，因此又引入了探测率和比探测率。探测率其实就是NEP的倒数，比探测率就是把探测率给标准化（归一化）为测量带宽为1Hz，探测器光敏面为1cm2，这样不同探测器就可以进行性能比较。 (W-1) (cmHz1/2W-1) (3-7)(4) 暗电流暗电流是指无光照时光电二极管的反向电流，它主要包括两部分：一是由晶体表面缺陷形成的泄露电流；一是