光纤气体传感器ppt课件

光纤气体传感器 光谱吸收式光纤甲烷检测系统 近年全国重大矿难事故一览 瓦斯爆炸是影响煤矿安全重大威胁之一 据统计 我国煤矿爆炸事故近80 是由瓦斯气体爆炸引起的 瓦斯的主要成分是甲烷 约占瓦斯气体的83 89 当空气中的甲烷浓度约为5 3 到15 时 遇火源就会爆炸 在无火源情况下 当空气中的甲烷浓度达到50 能使人因缺氧而窒息死亡 为了预防与控制事故的发生 最大限度地减少人员伤亡 研究能在线实时快速检测甲烷气体浓度的仪器是十分必要的 甲烷也被认为是温室效应最主要的气体之一 甲烷吸收红外线能力是二氧化碳的15 30倍 占据整个温室气体贡献量的15 温室气体引起的全球气候变暖直接关系到人类健康生活 更是被民众所关心 甲烷还与燃烧和推进联系非常紧密 它的浓度测量直接与对燃烧效率以及推进过程的分析有关 马赫一泽德尔干涉仪声波激励源是机械斩波的Ar 离子激光器 各种光纤气体传感器及其性能比较 光谱吸收型光纤传感器 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 光谱吸收型光纤传感器 光谱吸收型光纤传感器是基于激光光谱分析技术设计的 结合现代光纤通信技术 将以前主要用于实验室气体分析的激光光谱分析技术应用在工业现场 同时利用光纤技术的特点 使光谱吸收型光纤传感器在探测灵敏度 远程遥测 多点测量方面发挥更大的优势 近红外光谱吸收型光纤传感器 近红外光是指波长在780 2526nm范围内的电磁波 甲烷气体分子的泛频和组合频吸收峰正好落在光纤0 8 1 7 m的近红外区域低损耗传输窗口范围内 且在这一波段的光学器件比较成熟 使得近红外光谱在在线分析领域得到了广泛的应用 近红外光谱吸收型光纤传感器 近红外光谱吸收型光纤气体传感器与其他光纤气体传感器相比具有极高的测量灵敏度 极高的气体鉴别能力 快速的响应能力 简单可靠的气体传感探头 气室以及易于形成网络等优点 是目前研究最广泛 最有前途的一种光纤气体传感技术 光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状 最早应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Tohoku大学的H Inaba和K Chan等 他们在光纤透射窗口波段范围内 做了一些气体传感的基本研究 1979年 他们提出利用长距离光纤进行大气污染检测 1981年 他们又报道了光纤二氧化氮气体浓度的检测实验 利用二氧化氮在400nm处和800nm处的较宽吸收峰 用LED作光源进行二氧化氮的直接吸收测量 与此同时 还进行了光纤化的甲烷气体浓度测量实验研究 并于1983年用LED作为宽带光源 配合窄带干涉滤光片 对甲烷在1331 2nm附近的Q线进行检测 系统最小可探测灵敏度为25 LEL 气体爆炸下限 光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状 1987年J P Dakin和C A wade等人报道了一种利用梳状滤波器和宽带光源 LED 测量甲烷气体浓度的方法 入射光可覆盖一簇气体吸收峰 通过气体吸收后 光谱被调制为梳状 这种方法适合于甲烷和乙炔等具有梳状吸收峰的气体 1988年 A Mohebati和T A King用1 33 m的InGaAsP多模激光器测量了甲烷气体的浓度 采用波长差分吸收法 室温下可以测量最小灵敏度可达1000ppm 光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状 1990年 H Tai和K Yamamoto等利用1 66 m单模分布反馈式 DFBLD 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20ppm 这一系统将可调谐半导体激光光源 DFBLD 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 在以后的很长一段时间内 沿着这种技术方向 又有一些光纤气体探测系统被报道出来 光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状 1992年 H Tai给出了采用两个DFBLD光源组成一个复合光源 在同一个光纤传感系统中同时测量甲烷和乙炔的实验系统 这个系统中的传输光纤长4km 气室长10cm 检测系统采用波长调制的谐波检测技术 甲烷的最小可探测灵敏度为5ppm 乙炔的最小可探测灵敏度为3ppm 气体间的串扰很小 可以忽略 是一种传感器的复用方法 V Weldon在1993年和1994年分别报道了采用一个1 64 m可调谐DFB激光器同时测量甲烷和二氧化碳及一个1 57 m可调谐DFB激光器同时测量硫化氢和二氧化碳气体的实验研究 其最小探测灵敏度都优于10ppm 光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状 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 靳伟博士和G Stewart对气体传感中相干噪声的来源及消除方法进行了深入的研究 其中G Stewart建立了光纤气体传感头端反射噪声的模型 而靳伟博士则提出了光纤气体传感系统中反射相干信号的更普遍模型 并且对单点气体传感器做了比较全面的噪声误差分析 给出了理论极限 光谱吸收式光纤气体传感器国内研究现状 1989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 上海交通大学应用物理系的一个研究小组于1990年用国产元件建立了一个检测大气中甲烷气体浓度的实验装置 该装置的测量灵敏度约为7000ppm 是甲烷气体在大气中最低爆炸极限的13 光谱吸收式光纤气体传感器国内研究现状 1997年 山东矿业学院的曹茂永等对光谱吸收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 2000年 浙江大学叶险峰博士用中心波长为1 3 m的LED作光源 配合闪耀光栅对CH4气体进行了检测实验 检测灵敏度为1300ppm 光谱吸收式光纤气体传感器国内研究现状 2001年燕山大学王玉田教授及郭增军博士提出光纤传感技术和计算机数据处理技术相结合 研制一种基于差分吸收技术的光纤甲烷气体检测仪 2004年 王玉田教授和他的研究小组利用复用多个光谱吸收型光纤传感器 并通过谐波检测技术对微弱信号进行处理 设计一套甲烷气体多点光纤传感系统 该传感器系统可探测气体浓度范围为200ppm 100 可在多场合进行多点在线测量 测量精确度和稳定性均大大提高 但是测量点数目依然不高 光谱吸收式光纤气体传感器国内研究现状 哈尔滨工程大学 哈尔滨工业大学 武汉理工大学 安徽光学精密机械研究所 华南理工大学 中国科学院电子学研究所 东南大学 山西大学 北京交通大学 太原理工大学等也均开展了相关研究 核心思想 Lambert Beer定律 光谱吸收式气体传感器理论基础 为光频为v处的吸收系数 表示体积浓度为100 吸收光程长度为1cm时吸收气体对频率为的v单色光的吸收能力 C为吸收气体体积浓度百分比 L为总的气体吸收光程 单位cm 核心思想 Lambert Beer定律 光谱吸收式气体传感器理论基础 当C或L很小时 有 则Lambert Beer定律近似为 为气体吸收谱线中心波数 为气体吸收谱线半宽 为气体吸收谱线中心处的吸收系数 核心思想 Lambert Beer定律 光谱吸收式气体传感器理论基础 气体分子光谱吸收理论 气体分子只吸收那些能量正好等于它的某两个能级的能量之差的光子 吸收的光子后的分子将从低能态激发到较高的能态上 在激发态停留很短的时间后 有通过释放出光子回到稳定态 这就是气体分子的选择吸收理论 甲烷气体吸收光谱图 光谱吸收式气体传感器理论基础 甲烷特征谱线分析与选择 甲烷气体的组合频和泛频吸收波长分别为1 33 m和1 66 m 甲烷特征谱线分析与选择 甲烷气体的组合频和泛频吸收波长分别为1 33 m和1 66 m 根据HITRAN数据库资料显示 甲烷气体在1 66 m处的吸收强度比在1 33 m处更大 这样有利于微弱信号的检测 1 66 m处于近红外区石英光纤低损耗 低色散区 这一波段与通信上所用的1 55 m波段接近 因此光器件更容易获得 水蒸气 二氧化碳等在1 66 m处无明显吸收 甲烷在波长附近有三条相距非常近的吸收线 三条吸收线分布在小于0 01nm波长范围之内 可以合成为一条在1653 72nm处 半宽为0 018nm的吸收线 并以此作为检测的吸收线 CH4在1653 72nm处吸收谱线精细结构及吸收系数合成图 甲烷特征谱线分析与选择 检测方法 差分吸收技术调制技术 目的 抑制噪声 提高灵敏度 单波长差分 调制技术 一路通过含有被测气体的检测气室 一路通过不含被测气体的参考气室即真空 其衰减代表了光路中与被测物质无关的损耗 双波长差分 单波长差分 调制技术 双波长差分 i1 i2分别为两探测器的输出光电流 d1 d2为分光器的分光系数Kf1 Kf2为探测器的光电转换系数 Kc1 Kc2为两光路的损耗系数 单波长差分 调制技术 双波长差分 设 则 单波长差分 调制技术 单波长差分吸收技术适用于窄带光源 比如激光器 其谱线宽度较小 能量比较集中 如果激光器的中心波长和气体吸收峰中心波长对准 则由测量通过待测气体的输出光强可以检测气体的浓度 双波长差分 单波长差分 调制技术 双波长差分 优点 可从理论上完全消除光路的干扰因素 并消除光源输出光功率不稳定的影响 缺点 对光源中心波长的漂移以及滤波特性对检测结果的影响是无能为力的 单波长差分 调制技术 两个滤光片的中心波长分别为和对应被检测气体的强吸收峰 称为工作波长 对应被检测气体的弱吸收波段 称为参考波长 两个波长尽可能靠近 这样光路对工作波长和参考波长的干扰效应就可认为是近似相等的 双波长差分 单波长差分 调制技术 双波长差分 是光学系统的耦合参数 为探测器的光电转换系数 为光路的干扰因素 单波长差分 调制技术 双波长差分 相除 得 可简化为 单波长差分 调制技术 双波长差分 优点 有效消除光路干扰和光源强度变化的影响 灵敏度高缺点 斩波器的使用 使得稳定性不高 滤波片的使用 使得有用光功率不足 单波长差分 调制技术 双波长差分 光强调制 频率调制 光程调制 浓度调制 单波长差分 调制技术 双波长差分 光强调制是按一定规律改变入射光的强度 然后在输出端按照相应的规律解调出气体吸收信号的过程 光强调制 单波长差分 调制技术 双波长差分 为了提高信噪比 应该增大调制系数 光源的强度调制是通过调制激光器的注入电流实现的 而注入电流的大幅度变化会导致激光器输出光的波长发生变化 后者很小的变化就会使气体吸收系数发生很大的变化 因此 光源强度调制检测气体浓度是一种很粗糙的手段 光强调制 单波长差分 调制技术 双波长差分 对气体浓度的调制可以通过对气室内气体的压力进行调制来实现 利用基于声谐振荡器原理的声波调制可以达到这一目的 浓度调制在理论上是一种抗干扰能力较强的检测方法 但是精确的调制声波驻场不容易实现 对气室和声波振荡装置要求都很高 另外 声源的驱动可能会使气室受到电磁干扰 影响检测的精确度 浓度调制 单波长差分 调制技术 双波长差分 因半导体激光器输出波长与注入的驱动电流有关 可通过调制注入电流实现对光源波长的调制 从而形成一种波长调制光谱技术 WMS WavelengthModulationSpectroscopy 优点 可以抑制检测系统中的各种背景噪声 提高系统的检测灵敏度 实现低浓度 可达ppm量级 气体的检测 波长调制 单波长差分 调制技术 双波长差分 波长调制 加入正弦信号调制后的电流 激光器输出的频率 甲烷吸收线线型函数为 单波长差分 调制技术 双波长差分 波长调制 当 有 展开成傅里叶偶函数有 单波长差分 调制技术 双波长差分 波长调制 当 有 展开成傅里叶偶函数有 单波长差分 调制技术 双波长差分 波长调制 经过前置放大电路及锁相放大器谐波提取 可得一 二次谐波信号包络为 单波长差分 调制技术 双波长差分 波长调制 一次谐波信号幅度 单波长差分 调制技术 双波长差分 波长调制 二次谐波信号幅度 单波长差分 调制技术 双波长差分 谐波检测技术 HarmonicDetection 的理论基础是傅立叶变换理论 已被广泛应用于微弱信号检测领域 其基本原理是通过频率来调制某个依赖于此频率变化的信号 使其覆盖待测的特征信号 然后在数据采集处理过程中 以该调制频率作为锁相放大器 Lock inAmplifier 的参考输入频率 提取出含有特征信息的信号 这个信号是与该频率有关的一系列谐波信息 单波长差分 调制技术 双波长差分 波长调制的难点 系统的稳定性容易受到温度 电流波动等因素的影响 激光器波长也主要和温度和电流这两个因素有关 在近红外区 气体吸收线的谱线宽度很窄 所以 当温度 电流波动时激光器中心波长很难严格对准气体吸收峰 单波长差分 调制技术 双波长差分 波长调制的实现 附加参考气室与波长调制相结合的方法 经过余弦调制的光通过一个参考气室 参考气室内装有浓度固定且和被测气体种类相同的气体 单波长差分 调制技术 双波长差分 波长调制的实现 附加参考气室与波长调制相结合的方法 若激光器输出中心波长和气体吸收峰中心波长对准 理论上一次谐波为零 如果中心波长有一定偏差 就会产生一次谐波 这样就可以利用一次谐波作为误差信号 将光源波长精确的锁定在气体的吸收峰上 单波长差分 调制技术 双波长差分 波长调制的实现 波长扫描与波长调制相结合的方法 三角波扫描与正弦波调制激光二极管的驱动电流由直流量 余弦波和三角波信号组成 单波长差分 调制技术 双波长差分 波长调制的实现 波长扫描与波长调制相结合的方法 直流量对应激光二极管的中心波长 高频的余弦信号 用于实现对激光器波长的调制 低频三角波信号用于改变激光二极管的输出波长 使其在中心波长附近进行扫描 单波长差分 调制技术 双波长差分 波长调制的实现 波长扫描与波长调制相结合的方法 特点 激光二极管的中心波长不需要严格的对准气体的吸收峰 从而不需要对激光二极管采取稳频措施 仍可以达到很高的检测灵敏度 单波长差分 调制技术 双波长差分 波长调制的实现 波长扫描与波长调制相结合的方法 三角波和正弦波的叠加后的波形 微弱信号检测技术 微弱信号检测是吸收型光纤气体传感器的关键技术之一 噪声是限制微弱信号检测系统的决定性因素 对于微弱信号检测来说 如能有效克服噪声 就可以提高信号检测的灵敏度 光电探测器输出的信号中 含有气体浓度信息的信号是淹没在噪声中的微弱电信号 尤其在低浓度气体检测的情况下 微弱检测信号本身的起伏 传感器的优劣 放大电路及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰噪声等 使得有用的被测信号被大量的噪声和干扰所淹没 微弱信号检测的关键在于抑制噪声 恢复 增强和提取有用信号 即提高其信噪改善比 微弱信号检测技术 主要方法 滤波技术 相关原理和相关检测技术 低噪声放大等 相关原理 锁相放大器 基于互相关原理 锁相放大器作为一种有效地检测微弱信号的手段在研究中广泛应用 它可在强噪声及噪声环境中测量微弱慢变的光学信号 在光学测量中有重要作用 锁相放大器 用调制器将直流或慢变信号的频谱迁移到调制频率处 再进行放大 以避开噪声的不利影响 锁相放大器 利用相敏检测器实现调制信号的解调过程 可以同时利用频率和相角进行检测 噪声与信号同频又同相的概率很低 锁相放大器 用低通滤波器而不是用带通滤波器来抑制宽带噪声 低通滤波器的频带可以做的很窄 而且其频带宽度不受调制频率的影响 稳定性也远远优于带通滤波器 锁相放大器 被测信号 参考输入 输出信号 检测系统设计方案 一次谐波检测系统框图 检测系统设计方案 一次谐波检测系统框图 检测系统设计方案 一次和二次谐波检测系统框图 检测系统设计方案 LD激光器选择依据 鉴于光纤传感器的结构有限 要求光源体积小 便于与光纤耦合 所以光源模块应具有高集成度 便于维护 使用方便 激光器有足够大的光功率输出 特别是激光器和光纤之间的耦合效率要高 在长距离应用时 足以保证光电检测器能够检测 输出中心频率同甲烷气体的吸收谱线中心 1653 72nm 相吻合 激光器谱线宽度要远小于气体吸收线半宽 并且在中心频率附近有良好的线性调谐特性 检测系统设计方案 LD激光器选择依据 激光器寿命长 光源工作时稳定性好 噪声小 能在室温下连续长期工作 激光器有高速的调制相应特性 即宽带的调制特性 有良好的温度特性 即激光器在工作环境温度变化时 其性能应相对稳定 检测系统设计方案 LD激光器选择依据 VCSEL内部组件及对应结构图 LD封装及组件管壳结构图 德国Vertilas公司的VCSEL激光二极管 VL 1654 1 SQ H5 Vertilas SM VCSEL 1654nm 1654 H5激光器光电特性指标 To 25oC 实际工作温度为30 对应的电流约为6mA 检测系统设计方案 LD激光器选择依据 由 可得激光器的为0 000273479nm 与甲烷气体吸收线半宽之比为 激光器谱线宽度和甲烷气体吸收线宽度相当于差两个数量级 因此合理的调制激光器能够实现甲烷气体的高灵敏度检测 检测系统设计方案 LD驱动控制方案 一般通过在温度得到控制的基础上对LD采用电流调谐 即在一定直流偏置 对应中心波长 的基础上叠加调制电流 实现LD的调制控制 电路中还引入保护电路 检测系统设计方案 在WMS过程中 利用VCSEL的等效电容快速可调性和较宽的调谐范围的优势 叠加了直流偏置 三角波和正弦波调制信号的激光输出慢慢地扫过待测气体的吸收线 使气体得到充分的吸收 LD驱动控制方案 LD信号发生电路 信号发生电路选用美国Intersil公司生产的单片精密函数发生器芯片ICL8038 通过外围的电路设计 它可以产生高质量的正弦波与三角波 LD信号合成电路 信号发生电路产生的三角波 正弦波信号分别经电容C2与C5交流耦合进叠加电路 再经运算放大器NE5532对两种信号分别进行放大 通过可调谐电阻RW5 RW6将信号衰减到一定的大小后 用低温漂运放OP37进行信号合成与放大 LD驱动电路 电路中T1 T2 T3为同批次 系数一致的P型硅管 电路中的R2和T2起保护LD的作用 当流过R2的电流高于10mA 即R2两端的压差为0 7V时 T2的基极和发射极间的PN结导通 较大的电流直接从T2的集电极到达T2的基极和发射极 很小的电流流过LD 从而可将流过LD的电流限制在10mA以下 达到保护激光器的目的 工作中LD的偏置直流电流为6mA 其能承受的最大电流为10 32mA LD温度控制方案 方案中采用两级温度控制 即激光器外部工作环境 机箱 温度控制和激光器内部组件TEC温度控制相结合 两层温度控制的思想可尽量减少环境温度对激光器工作状态的影响 LD温度控制方案 机箱温度的采集是通过采用检测灵敏度较高 温度与输出电流成线性变化的集成温度传感器AD590来实现的 AD590将探测的机箱温度转化成与绝对温度成比例的电流输出 并与所设计的与温度相关的参考电流相比较后转化为与温度成比例的电压输出 然后与设定的温度比较后由加热板或风扇来执行温度控制 将温度调节到所设定的温度范围内 机箱温度控制框图 LD温度控制方案 半导体激光器组件包括激光二极管 热电致冷器 温度传感器 PIN光检测器 热沉等 偏置电流和信号电流经驱动电路作用于激光二极管 激光二极管正向发射的光经透镜进入光纤 反向发射的光经PIN光检测器转换进入自动功率控制 同时致冷器的冷端与激光二极管的热沉接触 通过埋在热沉里的热敏电阻可以探测到激光器结区的温度 并与设定的工作温度比较 将产生的误差信号传递给PID控制电路 通过控制电路改变热电致冷器 TEC 电流的大小和流向以达到加热或致冷 保持激光器工作温度的恒定 半导体激光器组件构成 LD温度控制方案 内层是采用以温度为反馈量的闭环控制模式 以半导体制冷 TEC 作为温度控制的执行器件 内层温度控制是通过组件热敏电阻将LD的温度反馈到输入端 经与设计温度比较 PI调节后 驱动TEC工作实现温度控制 内层温度控制原理图 检测系统设计方案 吸收气室设计原则 吸收光程应尽可能大 根据Lambert Beer定律 增加气体吸收路径的长度L 可以直接提高系统的检测灵敏度 光路耦合损耗小 可靠性高 体积尽可能小 便于实际应用过程中移动方便 检测系统设计方案 吸收气室模型图与实物图 5 10cm光程 检测系统设计方案 吸收气室 离轴积分腔 OA ICOS 检测系统设计方案 光电检测器的选择 有较高的探测灵敏度 能够检测微小光信号的变化 响应迅速 满足实时性的需要 低噪声 抗干扰性好 在微弱信号检测系统中是必要的 要求检测器本身产生的噪声越小越好 高保真 线性度好 在模拟信号检测中尤为重要 稳定性好 可靠性高 检测系统设计方案 光电检测器的选择 PIN光电二极管是光纤通信与光纤传感系统中最常用的光电探测器 优点 价格低廉 灵敏度高 响应速度快 性能稳定 使用方便等特点 检测系统设计方案 滤波电路 带通滤波 使一次谐波和二次谐波的频率成分落在这个通带内 有效地提高信噪比 从而有利于利用锁相放大提取一次谐波和二次谐波信号 无源滤波和有源滤波 检测系统设计方案 滤波电路 带通滤波 检测系统设计方案 滤波电路 低通滤波 用在锁相放大器之后 用于检测反映气体浓度的一次谐波信号的幅度 MAX295构成的LPF电路 检测系统设计方案 锁相放大电路 提取含有甲烷浓度信息的微弱信号 AD630锁相放大应用电路 检测系统设计方案 锁相放大电路 锁相前端移相电路 检测系统设计方案 倍频电路 用于提取二次谐波信号幅度 AD734倍频电路 检测系统设计方案 硬件抗干扰措施 屏蔽技术 可以防止系统外部辐射干扰进入系统内部 同时也可限制内部模块间的干扰 接地技术 合理地选择接地方式是抑制电容性耦合 电感性耦合 电阻耦合 减小或削弱干扰的重要措施 电源设计 DC DC转换模块选用的是MINMAX的开关电源 开关频率为290 360kHz 是一类低纹波 低噪声的模块 PCB设计 印刷电路板设计好坏对抗干扰能力影响很大 要求布线尽量简单 短洁 符合抗干扰原则 检测系统设计方案 数据处理系统框图 检测系统设计方案 软件处理流程图 方案一 方案二 检测系统设计方案 数据存储模型图 检测系统设计方案 数据处理流程图 一次谐波信号幅度均值 峰峰值 二次谐波信号幅度最大值 检测系统设计方案 软件抗干扰措施 看门狗技术 软件拦截技术 软件陷阱 数字滤波方法 指令冗余技术 开机自检 软件抗干扰是被动措施 而硬件抗干扰是主动措施 但由于软件设计灵活 节省硬件资源 所以软件抗干扰技术也越来越多的被使用 采用硬件 软件相结合的抗干扰措施 就能保证系统长期稳定可靠地运行 检测系统样机图 系统实验与结果分析 激光器调制信号波形 系统实验与结果分析 浓度为2500ppm时PIN输出与一次谐波信号幅度波形 系统实验与结果分析 在温度稳定的情况下 图中点A B对应扫描电流的中心值 通过时间 电流与电流 波长的关系结合激光器参数 可将波形图中的时间轴等效为波长轴 可通过对时间轴的测量来检验波长的稳定度 进而判断出温度控制的精度 调制电流与气体吸收一次谐波