光纤气体传感器ppt课件

1、光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统光纤气体传感器光纤气体传感器 光谱吸收式光纤甲烷检测系统光谱吸收式光纤甲烷检测系统 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统时间时间 地点地点 遇难人数遇难人数 事故原因事故原因 2010.3.22010.3.28 8山西王家岭煤矿山西王家岭煤矿3737人遇难，一人下人遇难，一人下落不明落不明透水事故透水事故2010.03.2010.03.01 01 内蒙古乌海内蒙古乌海 3131名被困者无生还名被困者无生还可能可能 在建的神华集团骆驼山煤矿在建的神华集团骆驼山煤矿发生透水事故发生透水事故 2010.01.2010.01.05 05 湖南立胜湖南立胜 3434人死亡人死

2、亡 湖南立胜煤矿发生重大火灾湖南立胜煤矿发生重大火灾事故事故 2009.11.2009.11.21 21 黑龙江鹤岗黑龙江鹤岗 共造成共造成108108人遇难人遇难 新兴煤矿发生瓦斯爆炸新兴煤矿发生瓦斯爆炸 2009.09.2009.09.08 08 河南省平顶山河南省平顶山 5454人死亡人死亡 违法违规组织生产导致的特违法违规组织生产导致的特大瓦斯爆炸事故大瓦斯爆炸事故 2009.05.2009.05.30 30 重庆市綦江县重庆市綦江县 3030人死亡、人死亡、7777人人受伤受伤 违规违章行为引发的特别重违规违章行为引发的特别重大安全生产事故。大安全生产事故。 2009.02.2009

3、.02.22 22 山西屯兰山西屯兰 7878人死亡人死亡 瓦斯浓度过高，煤矿爆炸。瓦斯浓度过高，煤矿爆炸。 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统瓦斯爆炸是影响煤矿安全重大威胁之一。据统计，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我国煤矿爆炸事故近80%是由瓦斯气体爆炸引起是由瓦斯气体爆炸引起的。的。瓦斯的主要成分是甲烷瓦斯的主要成分是甲烷，约占瓦斯气体的，约占瓦斯气体的83%89%。当空气中的甲烷浓度约为当空气中的甲烷浓度约为5.3%到到15%时，遇火源时，遇火源就会爆炸；在无火源情况下，当空气中的甲烷浓就会爆炸；在无火源情况下，当空气中的甲烷浓度达到度达到50%，能使人因

4、缺氧而窒息死亡。，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。的仪器是十分必要的。 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统甲烷也被认为是温室效应最主要的气体之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

5、。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浓度测量直接与对燃烧效率以及推进过程的分析有关。的分析有关。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统 马赫一泽德尔干涉仪马赫一泽德尔干涉仪 声波激励源是机械斩波声波激励源是机械斩波的的ArAr离子激光器离子激光器光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统各种光纤气体传感器及其性能比较传感器类型传感器类型优点优点缺点缺点干涉型干涉型灵敏度高灵敏度高稳定性差，难以实现遥测稳定性差，难以实现遥测反射型反射型灵敏度较高灵敏度较高线性范围窄，长期稳

6、定性差，需加线性范围窄，长期稳定性差，需加工工光纤渐逝场光纤渐逝场气体传感器气体传感器灵敏度高，能实现分灵敏度高，能实现分布式传感及交叉分辨布式传感及交叉分辨表面污染问题严重，其中多聚物包表面污染问题严重，其中多聚物包层光纤对相对温度、湿度、渐逝场层光纤对相对温度、湿度、渐逝场的强度依赖性大；需加工的强度依赖性大；需加工近近红红外外吸吸收收差分吸收检测差分吸收检测灵敏度高灵敏度高 斩波器的使用使得稳定性不高，滤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波片的使用使得有用光功率不足谐波检测谐波检测灵敏度高，稳定性较灵敏度高，稳定性较好好需求光源可调谐范围较宽，频率稳需求光源可调谐

7、范围较宽，频率稳定度高，光源驱动较复杂定度高，光源驱动较复杂光吸收热效应光吸收热效应灵敏度较高灵敏度较高传感探头带电，难以实现遥测，且传感探头带电，难以实现遥测，且需要大功率输出光源需要大功率输出光源光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.p光谱吸收型光纤传感器光谱吸收型光纤传感器光谱吸收法是光谱吸收法是通过检测气体透射光强或反通过检测气体透射光强或反射光强的变化射光强的变化来检测气体浓度的方法。每来检测气体浓度的方法。每种气体分子都有自己的吸收种气体分子都有自己的吸收( (或辐射或辐射) )谱特征，谱特征，光源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的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

8、后的光强将发生变部分才产生吸收，吸收后的光强将发生变化。化。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.p光谱吸收型光纤传感器光谱吸收型光纤传感器光谱吸收型光纤传感器是光谱吸收型光纤传感器是基于激光光谱分基于激光光谱分析技术析技术设计的，结合现代光纤通信技术，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。同时谱分析技术应用在工业现场。同时利用光利用光纤技术纤技术的特点，使光谱吸收型光纤传感器的特点，使光谱吸收型光纤传感器在探测灵敏度、远程遥测、多点测量方面在探测灵敏度、远程遥测、多点测量方面发挥更大的优势发挥更大的优势 光

9、纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.p近红外光谱吸收型光纤传感器近红外光谱吸收型光纤传感器 近红外光是指波长在近红外光是指波长在7802526nm范围内的范围内的电磁波，甲烷气体分子的泛频和组合频吸电磁波，甲烷气体分子的泛频和组合频吸收峰正好落在光纤收峰正好落在光纤0.8-1.7m的近红外区域的近红外区域低损耗传输窗口范围内，且在这一波段的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。线分析领域得到了广泛的应用。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.p近红外光谱吸收型光纤传感器近红外光谱吸收型光纤传感器 近红外光

10、谱吸收型光纤气体传感器与其他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，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。最有前途的一种光纤气体传感技术。 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状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最早应用光谱吸收式光纤

11、传感技术进行气体浓度测试研究的是的是日本日本Tohoku大学的大学的H. Inaba和和K. Chan等，他们在光等，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。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。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。年，他们又报道了光纤二氧化氮气体浓度的检测实验。利用二氧化氮在利用二氧化氮在400nm处和处和800nm处的较宽吸收峰，用处的较宽吸收峰，用LED作光源进行二氧化氮的直接吸收测量，与此同时，还作光源进行二氧化氮的直接吸收测

12、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，并于进行了光纤化的甲烷气体浓度测量实验研究，并于1983年年用用LED作为宽带光源，配合窄带干涉滤光片，对甲烷在作为宽带光源，配合窄带干涉滤光片，对甲烷在1331.2nm附近的附近的Q线进行检测，系统最小可探测灵敏度为线进行检测，系统最小可探测灵敏度为25%LEL(气体爆炸下限气体爆炸下限) 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状 1987年年J. P. Dakin和和C. A. wade等人报道了一种利等人报道了一种利用梳状滤波器和宽带光源用梳状滤波器和宽带光源(LED)

13、测量甲烷气体浓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。于甲烷和乙炔等具有梳状吸收峰的气体。 1988年，年，A. Mohebati和和T. A.King用用1.33m的的InGaAsP多模激光器测量了甲烷气体的浓度，采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用波长差分吸收法，室温下可以测量最小灵敏度可达可达1000 ppm。 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统光谱吸收式光纤气体传感器国

14、外研究现状光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状 1990年，年，H. Tai和和K. Yamamoto等利用等利用1.66m单模单模分布反馈式分布反馈式(DFB LD)半导体激光器，采用了波长半导体激光器，采用了波长(频率频率)调制的谐波检测方法，室温下检测甲烷气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体浓度，最小可探测灵敏度可达20 ppm。这一系。这一系统将可调谐半导体激光光源统将可调谐半导体激光光源(DFB LD)，波长调制，波长调制谐波检测和光纤技术结合起来，获得了很高的探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，沿着这种测灵敏

15、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技术方向，又有一些光纤气体探测系统被报道出来。来。 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状 1992年，年，H. Tai给出了采用两个给出了采用两个DFB LD光源组成一个复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实验系统。这个系统中的传输光纤长4km，气室长，气室长10cm，检测系统采用波长调制的谐波检测技术，甲烷的最小可探检测系统采用波长调制的

16、谐波检测技术，甲烷的最小可探测灵敏度为测灵敏度为5ppm，乙炔的最小可探测灵敏度为，乙炔的最小可探测灵敏度为3ppm，气，气体间的串扰很小，可以忽略，是一种传感器的复用方法。体间的串扰很小，可以忽略，是一种传感器的复用方法。 V. Weldon在在1993年和年和1994年分别报道了采用一个年分别报道了采用一个1.64m可调谐可调谐DFB激光器同时测量甲烷和二氧化碳及一个激光器同时测量甲烷和二氧化碳及一个1.57m可调谐可调谐DFB激光器同时测量硫化氢和二氧化碳气体的实验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研究，其最小探测灵敏度都优于10ppm。 光纤甲烷检测系

17、统光纤甲烷检测系统光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状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。分析，有人提出了优化谐波检测技术参数的方法。靳伟博士和靳伟博士和G. Stewart对气体传感中相干噪声的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，建立了光纤气体传感头端反射噪声的模型，

18、而靳伟博士则提出了光纤气体传感系统中反射相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，给出了理论极限了比较全面的噪声误差分析，给出了理论极限 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统光谱吸收式光纤气体传感器国内研究现状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。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

19、小组上海交通大学应用物理系的一个研究小组于于1990年用国产元件建立了一个检测大气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。该装置的测中甲烷气体浓度的实验装置。该装置的测量灵敏度约为量灵敏度约为7000ppm，是甲烷气体在大，是甲烷气体在大气中最低爆炸极限的气中最低爆炸极限的13%。 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统光谱吸收式光纤气体传感器国内研究现状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探讨，提出根据

20、传感器的技术指标确定其基本参数的方法。基本参数的方法。2000年，浙江大学叶险峰博士用中心波长年，浙江大学叶险峰博士用中心波长为为1.3m的的LED作光源，配合闪耀光栅对作光源，配合闪耀光栅对CH4气体进行了检测实验，检测灵敏度为气体进行了检测实验，检测灵敏度为1300ppm 。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统光谱吸收式光纤气体传感器国内研究现状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。一种

21、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纤传感系统。该传感器系统可探测气体浓度范围为为200ppm-100%，可在多场合进行多点在线测量，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。目依然不高。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统光

22、谱吸收式光纤气体传感器国内研究现状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、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。原理工大学等也均开展了相关研究。 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.p 核心思想：核心思想：Lambert-BeerLambert-Beer定律定律光谱吸收式气体传感器理论基础光谱吸收式气体传感器理论基础ou

23、tin( )exp( )IIvv CL 为光频为为光频为v处的吸收系数，表示体积浓度为处的吸收系数，表示体积浓度为100%，吸收光程长度为，吸收光程长度为1cm时吸收气体对频率为时吸收气体对频率为的的v单色光的吸收能力；单色光的吸收能力；C为吸收气体体积浓度百分比；为吸收气体体积浓度百分比；L为总的气体吸收光程，单位为总的气体吸收光程，单位cm。 ( )v光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.p 核心思想：核心思想：Lambert-BeerLambert-Beer定律定律光谱吸收式气体传感器理论基础光谱吸收式气体传感器理论基础outin( )exp( )IIvv CL当当C 或或L 很小时，有很小

24、时，有( )1v CL则则Lambert-Beer定律近似为：定律近似为：outin( ) 1( )IIvv CL 0201vvv0v0为气体吸收谱线中心波数；为气体吸收谱线中心波数；为气体吸收谱线半宽；为气体吸收谱线半宽； 为气体吸收谱线中心处的吸收系数为气体吸收谱线中心处的吸收系数 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.p 核心思想：核心思想：Lambert-BeerLambert-Beer定律定律光谱吸收式气体传感器理论基础光谱吸收式气体传感器理论基础outin( ) 1( )IIvv CL 0201vvv光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.p气体分子光谱吸收理论气体分子光谱吸收理论 气体分子

25、只气体分子只吸收那些能吸收那些能量正好等于它的某两个量正好等于它的某两个能级的能量之差的光子能级的能量之差的光子，吸收的光子后的分子将吸收的光子后的分子将从低能态激发到较高的从低能态激发到较高的能态上，在激发态停留能态上，在激发态停留很短的时间后，有通过很短的时间后，有通过释放出光子回到稳定态，释放出光子回到稳定态，这就是这就是气体分子的选择气体分子的选择吸收理论吸收理论。 甲烷气体吸收光谱图甲烷气体吸收光谱图光谱吸收式气体传感器理论基础光谱吸收式气体传感器理论基础光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.p甲烷特征谱线分析与选择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甲烷气体的组合

26、频和泛频吸收波长分别为1.33m和和1.66m。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.p甲烷特征谱线分析与选择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甲烷气体的组合频和泛频吸收波长分别为1.33m和和1.66m。根据根据HITRAN数据库资料显示，甲烷气体在数据库资料显示，甲烷气体在1.66m处的吸收强度比在处的吸收强度比在1.33m处更大，这样处更大，这样有有利于微弱信号的检测利于微弱信号的检测；1.66m处于近红外区石英光纤低损耗、低色散区，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这一波段与通信上所用的1.55m波段接近，因此波段接近，因此光器件更容易获得

27、光器件更容易获得；水蒸气、二氧化碳等在水蒸气、二氧化碳等在1.66m处无明显吸收处无明显吸收。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.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在小于0.01nm波长范围之内，可以合成为一条波长范围之内，可以合成为一条在在1653.72nm处、处、半宽为半宽为0.018nm的吸收线的吸收线，并以此，并以此作为检测的吸收线作为检测的吸收线。CH4在在1653.72nm处吸收谱线精细结构及吸收系数合成图处吸收谱线精细结构及吸收系数合成图p甲烷特征谱线分析与选择甲烷特征谱线分析与选择光纤甲烷检测系统光纤

28、甲烷检测系统.p 检测方法检测方法差分吸收技术差分吸收技术调制技术调制技术 单波长差分单波长差分双波长差分双波长差分强度调制强度调制浓度调制浓度调制波长调制波长调制 目的：目的：抑制噪声，提高灵敏度抑制噪声，提高灵敏度光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.一路通过含有被测气体的检测气室；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真空，其衰减代表了光路中与被测物质无关的损耗。质无关的损耗。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.11110( , )exp()fcidKT tKCLI22220( , )fcidKT tKI

29、i1、i2分别为两探测器的输出光电流；分别为两探测器的输出光电流；d1、d2为分光器的分光系数为分光器的分光系数Kf1、Kf2Kc1、Kc2光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.11110( , )exp()fcidKT tKCLI22220( , )fcidKT tKI111222fcfcd K Kd K K常数设则12exp()iCLi光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 优点：优点：可从理论上完全消除光路可从理论上完全消除光路的干扰因素，并消除光源输出光的干扰因素，并消除光源输出光功率不稳定的影响。功率不稳定的影响。缺点：缺点：对光源中心波长的漂移以对光源中心

30、波长的漂移以及滤波特性对检测结果的影响是及滤波特性对检测结果的影响是无能为力的。无能为力的。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 1 212光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.1011111()()() ()exp()()iIKDCL 2022222()()()()exp()()iIKDCL 1()K2()K 1()D2()D1() 2() 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.1011111()()() ()exp()()iIKDCL 2022222()()()()exp()()iIKDCL 相除，得相除，得11012121222021() ()()()1lnln ()() ()()() ()()(

31、)KDIiCLKDIi 可简化为可简化为2121()1ln ()()()iCLi 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 优点：优点：有效消除光路干扰和光源强度变化有效消除光路干扰和光源强度变化的影响，灵敏度高的影响，灵敏度高 缺点：缺点：斩波器的使用，使得稳定性不高；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。滤波片的使用，使得有用光功率不足。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 光强调制光强调制 outin( ) 1( )IIvv CL频率调制频率调制光程调制光程调制浓度调制浓度调制光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 光强调制是按一定规律改变入射光光强调制是按一定规律改变入射

32、光的强度，然后在输出端按照相应的的强度，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。规律解调出气体吸收信号的过程。 光强调制光强调制0( )( )(1sin)exp()IImtCL001( )(1)( ) (1)sinCLICLImCLt00( , )( )(1sin)ItImt 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 为了提高信噪比，应该增大调制系数。光为了提高信噪比，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；后者很致激光器输出光的波长发

33、生变化；后者很小的变化就会使气体吸收系数发生很大的小的变化就会使气体吸收系数发生很大的变化。因此，变化。因此，光源强度调制检测气体浓度光源强度调制检测气体浓度是一种很粗糙的手段是一种很粗糙的手段。 光强调制光强调制0( )( )(1sin)exp()IImtCL001( )(1)( ) (1)sinCLICLImCLt光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 对气体浓度的调制可以通过对气室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用基于声谐振荡器原理的声波调制可以达到这一目的。可以达到这一目的。 浓度调制在理论上是一种抗干

34、扰能浓度调制在理论上是一种抗干扰能力较强的检测方法，但是力较强的检测方法，但是精确的调精确的调制声波驻场不容易实现制声波驻场不容易实现，对气室和，对气室和声波振荡装置要求都很高；另外，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声源的驱动可能会使气室受到电磁干扰干扰，影响检测的精确度。，影响检测的精确度。浓度调制浓度调制 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 因半导体激光器输出波长与注入的驱动电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，从而形成一种波长的调制，从而形成一种波长调制光谱波长调制光谱技术技术

35、（WMS, Wavelength Modulation Spectroscopy ） 优点：优点：可以抑制检测系统中的各种背景噪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，实现低浓度声，提高系统的检测灵敏度，实现低浓度（可达（可达ppm量级）气体的检测量级）气体的检测 波长调制波长调制 可调谐半导体激光吸收光谱技术（可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 波长调制波长调制 in011cosIIvIvtcosDvvvt加入正弦信号调制后的电流：加入正弦信号调制后的电流：激光器输出的频率：激光器输出的频率：甲烷吸收线线型函数为：甲烷吸收线线型函数为

36、： 020cos1Dvvvtv光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 波长调制波长调制 当当 0Dvv有：有： 02cos1vvt展开成傅里叶偶函数有：展开成傅里叶偶函数有： 0024cos2cos4vAAtAt01222 1xAxvx1222212222 22 11xxAxx光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 波长调制波长调制 当当 0Dvv有：有： 02cos1vvt展开成傅里叶偶函数有：展开成傅里叶偶函数有： 0024cos2cos4vAAtAtout010000202( )111cos2cos2III vCLA CLA CLtA CLt光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 波长调制波长调制

37、经过前置放大电路及锁相放大器谐波提取，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可得一、二次谐波信号包络为 010120011( )( )2fIIMSIBI vBI vAACL 201022( )fSIBIvA CL Vpp1SCM方案一：方案一：一次谐波检测一次谐波检测方案二：方案二：max2SCM二次谐波检测二次谐波检测光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 波长调制波长调制 一次谐波信号幅度一次谐波信号幅度Vpp1SCM光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 波长调制波长调制 二次谐波信号幅度二次谐波信号幅度max2SCM光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 谐波检测技术谐波

38、检测技术(Harmonic Detection)的的理论基础是傅立叶变换理论，理论基础是傅立叶变换理论，已被广泛已被广泛应用于微弱信号检测领域应用于微弱信号检测领域。其基本原理。其基本原理是通过频率来调制某个依赖于此频率变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，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（频率作为锁相放大器（Lock-in Amplifier）的参考输入频率，提取出含）的参考输入频率，提取出含有特征信息的信号，这个信号是与该频有特征信息的信号，这个信号是与该频率有关的一系列

39、谐波信息。率有关的一系列谐波信息。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 波长调制的难点波长调制的难点 系统的稳定性容易受到温度、电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长也主要和温度和电流这两个因素有关。素有关。在近红外区，气体吸收线的谱线在近红外区，气体吸收线的谱线宽度很窄，所以，当温度、电流宽度很窄，所以，当温度、电流波动时激光器中心波长很难严格波动时激光器中心波长很难严格对准气体吸收峰。对准气体吸收峰。 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 波长调制的实现波长调制的实现 附加参考气室与波长调制相结合的方法附加参考气室与

40、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考气室内装有浓度固定且和被测气体种类相同的气体；相同的气体；光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 波长调制的实现波长调制的实现 附加参考气室与波长调制相结合的方法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，将样就可以利用一次谐

41、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。光源波长精确的锁定在气体的吸收峰上。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 波长调制的实现波长调制的实现 波长扫描与波长调制相结合的方法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和三角波信号组成 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 波长调制的实现波长调制的实现 波长扫描与波长调制相结合的方法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；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

42、高频的余弦信号，用于实现对激光器波长的调制；的调制； 低频三角波信号用于改变激光二极管的输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。出波长，使其在中心波长附近进行扫描。 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 波长调制的实现波长调制的实现 波长扫描与波长调制相结合的方法波长扫描与波长调制相结合的方法 特点：特点：激光二极管的中心波长不需要严格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，仍可以达到很高的二极管采取稳频措施，仍可以达到很高的检测灵敏度检测灵敏度 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.

43、 波长调制的实现波长调制的实现 波长扫描与波长调制相结合的方法波长扫描与波长调制相结合的方法 0.30.350.40.450.50.550.60.650.70.7511.21.41.61.82三角波和正弦波的叠加后的波形三角波和正弦波的叠加后的波形 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.p 微弱信号检测技术微弱信号检测技术 微弱信号检测是吸收型光纤气体传感器的关键技术之一。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号检测来说，如能有效克服噪

44、声，就可以提高信号检测的灵敏度。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。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、增强和提取有微弱信号检测的关键在于抑制噪声，恢

45、复、增强和提取有用信号，即提高其信噪改善比。用信号，即提高其信噪改善比。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.p 微弱信号检测技术微弱信号检测技术 主要方法：滤波技术、相关原理和相关检测技术、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。低噪声放大等。相关原理：相关原理：锁相放大器锁相放大器（基于互相关原理）（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测量微弱慢变的光学信号，在光学测量中有重要作用。作用

46、。 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 锁相放大器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；率处，再进行放大，以避开噪声的不利影响； 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 锁相放大器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；又同相的概率很低； 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 锁相放大器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用低通滤波器而

47、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宽度不受调制频率的影响，稳定性也远远优于带通滤波器。带通滤波器。 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. 锁相放大器锁相放大器被测信号被测信号0( )cos()( )sx tVtn t参考输入参考输入0( )cos()rr tVt0011( )( )( )cos( )cos(2)( )cos()22psrsrrutx tr tVVVVtn t Vt输出信号输出信号1( )cos2osru tVV光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.检测系统设计方案

48、检测系统设计方案一次谐波检测系统框图一次谐波检测系统框图光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.检测系统设计方案检测系统设计方案一次谐波检测系统框图一次谐波检测系统框图光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.检测系统设计方案检测系统设计方案一次和二次谐波检测系统框图一次和二次谐波检测系统框图光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.检测系统设计方案检测系统设计方案 LDLD激光器选择依据激光器选择依据 鉴于光纤传感器的结构有限，要求光源体积小，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；便于维护，使用方便；激

49、光器有足够大的光功率输出，特别是激光器和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；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输出中心频率同甲烷气体的吸收谱线中心（1653.72nm1653.72nm）相吻合，激光器谱线宽度要远小）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；的线性调谐特性；光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.检测系统设计方案检测系统设计方案 LDLD激光器选择依据激光器

50、选择依据激光器寿命长，光源工作时稳定性好、噪声小，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；能在室温下连续长期工作；激光器有高速的调制相应特性，即宽带的调制特激光器有高速的调制相应特性，即宽带的调制特性；性；有良好的温度特性，即激光器在工作环境温度变有良好的温度特性，即激光器在工作环境温度变化时，其性能应相对稳定。化时，其性能应相对稳定。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.检测系统设计方案检测系统设计方案 LDLD激光器选择依据激光器选择依据 VCSEL内部组件及对应结构图内部组件及对应结构图LD封装及组件管壳结构图封装及组件管壳结构图德国德国Vertilas公司的公司的

51、VCSEL激光二极管激光二极管VL-1654-1-SQ-H5光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.ITVertilas-SM-VCSEL-1654nm-1654-H5激光器光电特性指标激光器光电特性指标(To=25oC)参数参数数值数值工作温度工作温度 ()-20 to +70存储温度存储温度 ()-20 to +85波长范围波长范围 (nm)1652.4-1655.6工作范围工作范围 (mA)1.0-10.0最大工作电压最大工作电压 (V)1.22最大工作电流最大工作电流 (mA)10.32电流调制系数电流调制系数 (nm/mA)=0.377温度调制系数温度调制系数 (nm/)=0.127最大输

52、出光功率最大输出光功率 (mW)0.44谱线宽度谱线宽度 (MHz)30实际工作温度为实际工作温度为30，对应的电流约为，对应的电流约为6mA光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.检测系统设计方案检测系统设计方案 LD激光器选择依据激光器选择依据由由2cf 可得激光器的可得激光器的 为为0.000273479nm 与甲烷气体吸收线半宽之比为与甲烷气体吸收线半宽之比为0.018nm65.80.000273479nm激光器谱线宽度和甲烷气体吸收线宽度相当于差两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

53、检测。体的高灵敏度检测。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.检测系统设计方案检测系统设计方案 LD驱动控制方案驱动控制方案一般通过在温度得到控制的基础上对一般通过在温度得到控制的基础上对LDLD采用电流调谐，即在采用电流调谐，即在一定直流偏置（对应中心波长）的基础上叠加调制电流，实一定直流偏置（对应中心波长）的基础上叠加调制电流，实现现LDLD的调制控制的调制控制 ，电路中还引入保护电路。，电路中还引入保护电路。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统.检测系统设计方案检测系统设计方案 在在WMSWMS过程中，利用过程中，利用VCSELVCSEL的等效电容快速可调性的等效电容快速可调性和较宽的调谐范围的

54、优势，叠加了直流偏置、三角波和正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，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。使气体得到充分的吸收。 LDLD驱动控制方案驱动控制方案光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. LDLD信号发生电路信号发生电路信号发生电路选用美信号发生电路选用美国国Intersil公司生产公司生产的单片精密函数发生的单片精密函数发生器芯片器芯片ICL8038，通，通过外围的电路设计，过外围的电路设计，它可以产生高质量的它可以产生高质量的正弦波与三角波。正弦波与三角波。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检

55、测系统. LDLD信号合成电路信号合成电路 信号发生电路信号发生电路产生的三角波、产生的三角波、正弦波信号分别正弦波信号分别经电容经电容C2与与C5交交流耦合进叠加电流耦合进叠加电路，再经运算放路，再经运算放大器大器NE5532对两对两种信号分别进行种信号分别进行放大，通过可调放大，通过可调谐电阻谐电阻RW5、RW6将信号衰减将信号衰减到一定的大小后，到一定的大小后，用低温漂运放用低温漂运放OP37进行信号合进行信号合成与放大。成与放大。 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. LDLD驱动电路驱动电路电路中电路中T1、T2、T3为同为同批次，系数一致的批次，系数一致的P型硅管型硅管。电路中的电路

56、中的R2和和T2起保护起保护LD的作用的作用。当流过。当流过R2的电的电流高于流高于10mA，即，即R2两端的两端的压差为压差为0.7V时，时，T2的基极和的基极和发射极间的发射极间的PN结导通，较结导通，较大的电流直接从大的电流直接从T2的集电极的集电极到达到达T2的基极和发射极，很的基极和发射极，很小的电流流过小的电流流过LD，从而可，从而可将流过将流过LD的电流限制在的电流限制在10mA以下，达到保护激光以下，达到保护激光器的目的。器的目的。工作中工作中LD的偏置直流电流为的偏置直流电流为6mA，其能承受的最大电流为其能承受的最大电流为10.32mA光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. L

57、DLD温度控制方案温度控制方案 方案中采用两级温度方案中采用两级温度控制，即激光器外部工控制，即激光器外部工作环境（机箱）温度控作环境（机箱）温度控制和激光器内部组件制和激光器内部组件TEC温度控制相结合。温度控制相结合。两层温度控制的思想可两层温度控制的思想可尽量减少环境温度对激尽量减少环境温度对激光器工作状态的影响。光器工作状态的影响。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. LDLD温度控制方案温度控制方案 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流成线性变化的集成温度传感器集成温度传感器 AD590来实现的。来实现

58、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。来执行温度控制，将温度调节到所设定的温度范围内。 机箱温度控制框图机箱温度控制框图光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. LDLD温度控制方案温度控制方案 半导体激光器组件包括激光二极管、半导体激光器组件包括激光二极管、热电致冷器

59、、温度传感器、热电致冷器、温度传感器、PINPIN光光检测器、热沉等检测器、热沉等 。 偏置电流和信号电流经驱动电路作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，反向发发射的光经透镜进入光纤，反向发射的光经射的光经PINPIN光检测器转换进入自光检测器转换进入自动功率控制，同时致冷器的冷端与动功率控制，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

60、给度比较，将产生的误差信号传递给PIDPID控制电路，通过控制电路改变控制电路，通过控制电路改变热电致冷器热电致冷器(TEC)(TEC)电流的大小和流电流的大小和流向以达到加热或致冷，保持激光器向以达到加热或致冷，保持激光器工作温度的恒定。工作温度的恒定。背向检测器热敏电阻半导体制冷器TEC激光二极管光纤输出半导体激光器组件构成半导体激光器组件构成光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统. LDLD温度控制方案温度控制方案 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。）作为温度控制的执行器件。 内层温度控制是