畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于諧波檢測(cè)的甲烷氣體光纖傳感器的研究設(shè)計(jì)

1、 基于諧波檢測(cè)的甲烷氣體光纖傳感器的研究設(shè)計(jì)摘要本文研究了新型的光纖甲烷氣體濃度的檢測(cè)系統(tǒng)。從甲烷的分子結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究了甲烷分子的紅外吸收譜線并選取合適的吸收峰。根據(jù)比爾朗伯定律，建立了諧波檢測(cè)技術(shù)的數(shù)學(xué)模型。其可以有效將光源波長精確鎖定在氣體吸收線中心，并消除光強(qiáng)波動(dòng)等共模噪聲帶來的誤差。研究了dfbld的工作原理及其作為系統(tǒng)光源的優(yōu)點(diǎn)，并針對(duì)其特點(diǎn)設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)和溫控電路。介紹了光電探測(cè)器的特性，設(shè)計(jì)了一系列信號(hào)檢測(cè)電路(包括正弦波發(fā)生電路、倍頻電路、前置放大電路和濾波電路)。研究了數(shù)字鎖相放大器的結(jié)構(gòu)及其工作原理。分析了氣室及其與光纖的耦合。最后基于labview設(shè)計(jì)了虛擬示波器。關(guān)鍵詞：甲

2、烷；光纖傳感器；諧波檢測(cè)；分子光譜；dfbld；鎖相放大器；虛擬儀器abstractin this paper, a new type of optical fiber methane gas detection system isdiscussed. according to the molecular structure of methane, the infrared absorption spectra of methane molecule are studied and the appropriate absorption peaks is selected. according

3、to the law of beer-lambert, a mathematical model of harmonic detection technology is established. it can lock wavelength in the gas absorption line center effectively, and can eliminate the errors of light intensity fluctuations caused by common mode noises.working principle and advantages of dfbld

4、as the light source is studied. and according to its characteristic, the drive and temperature control circuits are designed. the characteristics of photoelectric detectors are described. a series of signal detection circuits are designed, including sine wave generating circuit, multiplier circuit,

5、pre-amplifier circuit and filter circuit. the structure and working principle of digital lock-in amplifier is studied. gas chamber and its coupling with fiber is analyzed. finally the virtual oscilloscope is designed based on the labview.keywords: methane; optical fiber sensors; harmonic detection;

6、molecular spectra; dfbld; lock-in amplifier; virtual instrument第一章 緒論1.1課題背景和意義甲烷是化工、煤礦生產(chǎn)中引起瓦斯爆炸最直接的有害氣體。甲烷是無色無臭的氣體，且不溶于水，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，非常不易檢測(cè)。甲烷在空氣中的爆炸下限為5.3%，上限為15%，快速、準(zhǔn)確檢測(cè)甲烷氣體的體積分?jǐn)?shù)，對(duì)工礦安全運(yùn)行，生產(chǎn)生活有著至關(guān)重要的作用。此外，我國許多城市使用甲烷作為生活用氣。同時(shí)甲烷也被認(rèn)為將成為溫室效應(yīng)的最主要成分，甲烷的吸收截面要比現(xiàn)在的主要溫室氣體二氧化碳的吸收截面高出大約23倍，大氣中的甲烷濃度大約以每年1%1.2%的速度遞增

7、。如何對(duì)礦井甲烷進(jìn)行可靠、高效、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一直是礦業(yè)生產(chǎn)中的焦點(diǎn)問題，是能源、化工行業(yè)安全生產(chǎn)的重要保證，是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的可靠手段?？焖佟?zhǔn)確地對(duì)易燃、易爆、有毒、有害氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制已經(jīng)成為目前全世界亟待解決的首要問題之一。因此開發(fā)一種安全、可靠、靈敏度高的甲烷檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。1.2 氣體檢測(cè)方法熒光吸收法、化學(xué)材料法、氣相色譜法以及光譜吸收法是常見的氣體檢測(cè)方法。熒光吸收法是基于分子的熒光光譜和吸收光譜的能級(jí)躍遷機(jī)理，在特定頻率的光的照射下，具有吸收光子能力的物質(zhì)可以在瞬間發(fā)射出比激發(fā)光頻率要低的熒光。氣體分子由于受到激發(fā)光的照射后處于激發(fā)狀態(tài)。處于激發(fā)狀態(tài)的氣體分

8、子非常不穩(wěn)定，很快又回到基態(tài)，這時(shí)會(huì)發(fā)出熒光，通過檢測(cè)熒光強(qiáng)度計(jì)算被測(cè)氣體濃度?；瘜W(xué)材料法的傳感器機(jī)理是被測(cè)氣體與敏感元件之間發(fā)生的相互作用從而使敏感元件的電阻和電容等物理性質(zhì)發(fā)生改變。物理吸附和化學(xué)吸附是化學(xué)材料法的主要作用方式。氣相色譜法是一種基于不同的氣體在通過色譜柱時(shí)的速度差異原理的物理分離分析技術(shù)，實(shí)際上是利用不同物質(zhì)在不同的兩相中具有不同的分配系的性質(zhì)，當(dāng)兩相的固定相和流動(dòng)相進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，這些物質(zhì)在兩相中反復(fù)進(jìn)行多次的分配，就會(huì)分離那些分配系數(shù)僅有微小差異的組分，可以使不同組分的物質(zhì)得到完全的分離。光譜吸收法是通過檢測(cè)光波通過被測(cè)氣體的時(shí)候產(chǎn)生光強(qiáng)的衰減，從而確定氣體濃度的一

9、種方法。比爾與朗伯共同提出了：i=iexp(cl) 式中：i為氣體吸收后的透射光強(qiáng)度，i為未經(jīng)氣體吸收的入射光的光強(qiáng)，為氣體分子的吸收系數(shù)，c為氣體的濃度，l為光通過氣體的長度。上式稱為比爾朗伯(beer-lambert)定律，它表明了氣體吸收量與吸收長度和氣體濃度之間的關(guān)系。隨著統(tǒng)計(jì)學(xué)和量子理論的發(fā)展，人們逐漸證明了它的準(zhǔn)確性，大大促進(jìn)了檢測(cè)氣體組分吸收特征譜的分光光度技術(shù)的發(fā)展。1.3光纖傳感器光纖傳感器的基本傳感原理是：光纖將光源發(fā)出的光送入傳感元件，被測(cè)物與光發(fā)生相互作用，光的強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)和頻率等參數(shù)發(fā)生改變，帶有被測(cè)量信息的光再次通過光纖進(jìn)入光探測(cè)器，通過檢測(cè)光信息獲得被測(cè)量的

10、參數(shù)。光纖傳感器在未來必將得到更加廣泛的應(yīng)用。同時(shí)光纖傳感器具有一般傳感器不可比擬的的優(yōu)點(diǎn)：(1)非接觸式遙測(cè)能力。(2)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐曲、耐水、耐火、耐腐蝕，絕緣性能極好，抗電磁干擾。(3)靈敏度高。(4)體積小、直徑細(xì)、重量輕、外形可變。光纖傳感器可以制成形狀可以適應(yīng)各種情況的微型探頭。(6)測(cè)量對(duì)象非常廣泛。(7)易于組成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)等。1.4 甲烷分子的結(jié)構(gòu)及吸收譜線1.4.1甲烷分子的結(jié)構(gòu)甲烷分子是球形陀螺(spherical top)結(jié)構(gòu)，它具有兩個(gè)以上高于三度的對(duì)稱軸，且永電偶極矩總是沿著對(duì)稱軸的方向，其分子的永電偶極距為零。1.4.2甲烷氣體吸收譜線波長的選擇甲烷氣體在1.6

11、6m附近的吸收強(qiáng)度遠(yuǎn)大于在1.33m附近的吸收強(qiáng)度。所以本文選擇1.66m波段，而且實(shí)驗(yàn)表明水蒸氣、二氧化碳等在此波段無明顯吸收，所以可在1.66m波段對(duì)甲烷氣體進(jìn)行測(cè)量。系統(tǒng)的最終目的是實(shí)現(xiàn)低濃度甲烷氣體檢測(cè)，系統(tǒng)的靈敏度是我們非常關(guān)心的問題。1.4.3諧波檢測(cè)分析通過檢測(cè)二次諧波可以獲得氣體濃度信息。一次諧波分量主要由強(qiáng)度調(diào)制引起，幅度大小正比于光源的平均功率，與氣體濃度無關(guān)。用二次諧波和一次諧波的比值作為系統(tǒng)的輸出，可以消除光源波動(dòng)等共模噪聲，并且具有更高的靈敏度，是一種較先進(jìn)的氣體濃度檢測(cè)方法。第二章 光纖甲烷氣體傳感器的設(shè)計(jì)2.1引言光纖甲烷氣體傳感器是為了實(shí)現(xiàn)低濃度氣體的高精度檢測(cè)

12、?；舅悸酚腥c(diǎn)：其一是對(duì)系統(tǒng)各部分的硬件電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其二是提高敏感元件(吸收氣室)的敏感度，其三是設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行精確檢測(cè)。2.2氣體檢測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)以dfbld為光源的吸收式光纖氣體傳感系統(tǒng)由光源、氣室、光纖光路以及信號(hào)處理單元組成，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用前后兩面均發(fā)光的dfbld，其中心波長為1.66m。激光器的后向激光進(jìn)入?yún)⒖細(xì)馐?，參考?xì)馐覂?nèi)含有濃度已知的甲烷氣體。通過檢測(cè)一次諧波作為反饋信號(hào)對(duì)激光器的溫度進(jìn)行控制，使其精確鎖定波長于氣體吸收峰上。圖2-2諧波檢測(cè)氣體系統(tǒng)的原理圖經(jīng)過調(diào)制后的前向激光經(jīng)光纖傳輸?shù)綔y(cè)量氣室，與甲烷氣體相互作用，然后將

13、攜帶氣體濃度信息的光信號(hào)傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)器，使其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并送入鎖相放大器。檢測(cè)出兩個(gè)調(diào)制頻率的一次和二次諧波分量。一次諧波分量主要由光強(qiáng)調(diào)制引起，幅值大小正比于光源的平均功率。二次諧波分量含有氣體濃度信息。使用二次諧波與一次諧波的比值作為系統(tǒng)的輸出，可以有效消除激光器的光強(qiáng)波動(dòng)等共模噪聲所帶來的誤差影響。再經(jīng)過高靈敏度、低噪聲的帶通濾波電路，消除背景光的交流漂移和光電探測(cè)器的暗電流，并濾除信號(hào)中的高頻和低頻噪聲。經(jīng)過上述處理后的帶有氣體濃度的信號(hào)被送入a/d轉(zhuǎn)換器后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、顯示及打印。2.3 光源的選擇發(fā)光二極管(led)是一種冷光源，它根據(jù)半導(dǎo)體pn結(jié)自發(fā)發(fā)射

14、機(jī)理，通過注入pn結(jié)的電流進(jìn)行自發(fā)的輻射，可以在沒有熱能轉(zhuǎn)換的情況下直接把電能轉(zhuǎn)換為光能，電致發(fā)光的特性使其具有很高的轉(zhuǎn)換效率。半導(dǎo)體激光器又叫激光二極管(簡(jiǎn)稱ld)，其發(fā)光是由能帶之間的電子空穴對(duì)復(fù)合產(chǎn)生的。ld發(fā)射激光要滿足以下三個(gè)條件：第一，要產(chǎn)生足夠多的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，必須使得n型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶能級(jí)與p型半導(dǎo)體價(jià)帶能級(jí)的差大于欲得到頻率光子的能量，這樣產(chǎn)生的光子數(shù)就會(huì)大于損耗的光子數(shù)，即得到凈剩光子。第二，要有可以產(chǎn)生光反饋?zhàn)饔玫闹C振腔，光子在諧振腔端面的每次反射都將會(huì)得一次增益。第三，要使得增益大于總的損耗，即滿足閾值條件。ld的結(jié)構(gòu)主要由可以產(chǎn)生受激發(fā)射光的高效的工作物質(zhì)、構(gòu)成光學(xué)反饋的

15、諧振腔和驅(qū)動(dòng)電流三個(gè)部分組成。構(gòu)成ld諧振腔的不是外加反射鏡，而是半導(dǎo)體的晶體解理面本身形成的內(nèi)反射腔。緊湊的結(jié)構(gòu)使其避免了由于外加諧振腔而產(chǎn)生的機(jī)械不穩(wěn)定性。ld的驅(qū)動(dòng)電源所需的電流、電壓小，操作起來方便安全，但是ld容易受到浪涌電流和電壓的沖擊而造成損壞。在光譜吸收式光纖氣體檢測(cè)系統(tǒng)中，光源的選取條件是光譜線窄、在動(dòng)態(tài)條件下依然可以單縱模工作的ld。對(duì)ld的振蕩模式進(jìn)行選擇反饋是得到單縱模、窄線的有效方法，通常選用光柵作為反饋元件。分布反饋激光器(dfbld)是指分布反饋光柵在制造ld的過程中直接在ld有源層內(nèi)的波導(dǎo)層上形成的ld。dfbld具有良好的動(dòng)態(tài)單模特性和靜態(tài)穩(wěn)定性。柵距周期決定

16、了dfbld的發(fā)射光譜，每隔一個(gè)柵距周期形成一個(gè)微型的諧振腔。由于柵距周期較小，多個(gè)微型腔共同的選模作用，很容易設(shè)計(jì)成僅有一個(gè)模式且有足夠增益的諧振。由于dfbld的柵距周期相當(dāng)于一個(gè)f腔的長度，布拉格反射可以有效增強(qiáng)諧振波長的選擇性，使譜線變窄。光柵可以很容易使發(fā)射光的波長鎖定在諧振波的波長上，大大改善了波長的穩(wěn)定性。在恒定溫度下，dfbld可以精確地將激發(fā)光的中心波長對(duì)準(zhǔn)被測(cè)氣體的吸收峰。2.4 光源驅(qū)動(dòng)電路及其溫控電路設(shè)計(jì)2.4.1光源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)通常設(shè)計(jì)dfbld的驅(qū)動(dòng)電路，需要滿足以下要求： (1) 要保證ld的驅(qū)動(dòng)電流具有很高的電流穩(wěn)定度和很小的波動(dòng)。(2) 要保證dfbld輸出功

17、率的穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)該是一種穩(wěn)定度高、可靠性高、輸出功率大的恒定電流源。(3) 要保證工作溫度的恒定，是保證dfbld具有穩(wěn)定的輸出波長和輸出功率的基礎(chǔ)。(4) 要保證dfbld的安全性要求。ld造價(jià)昂貴，極易損壞，必須使驅(qū)動(dòng)電路保證dfbld的安全可靠工作。dfbld的中心波長和輸出功率與注入電流有著緊密的關(guān)系。驅(qū)動(dòng)電路為光源提供穩(wěn)定而且可調(diào)的注入電流，可以用來穩(wěn)定輸出功率和中心波長，還可以有效保護(hù)dfbld。dfbld的基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)電路(如圖2-3)為ld提供穩(wěn)定的調(diào)制電流。采用穩(wěn)流電源芯片lm334作為穩(wěn)流基本元件。該芯片接成穩(wěn)流電源形式具有很好的穩(wěn)流效果，在-10+75，010 ma的范圍

18、內(nèi)可以保持1%的電流穩(wěn)定度。圖2-3 dfbld的基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整電路的參數(shù)使得三極管q1工作于可變電阻區(qū)，這樣在未加入反饋環(huán)節(jié)時(shí)，調(diào)節(jié)可變電阻器就可調(diào)節(jié)激光器的注入電流，從而實(shí)現(xiàn)ld工作點(diǎn)的任意選擇。為了達(dá)到穩(wěn)流效果，負(fù)載電阻r4應(yīng)該選用精密電阻。在電路調(diào)試和使用的過程中，應(yīng)當(dāng)注意與ld串接的電流表，使之不要超過ld的額定工作電流，電路中串接的二極管d3也起到保護(hù)ld的作用。在數(shù)字電流表的監(jiān)視下，該電路的電流穩(wěn)定度達(dá)到0.2%。圖2-3所示的基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)電路可以達(dá)到較好的穩(wěn)流效果。但是ld的輸出光功率對(duì)注入電流非常敏感，就需要對(duì)電路采取進(jìn)一步的措施來保證工作電流的長期穩(wěn)定性，使穩(wěn)流電路更具抗干擾

19、、抗漂移的能力。因此，在圖2-3中的a與c之間接入一個(gè)二階pi環(huán)節(jié)(如圖2-4)，就可以使整個(gè)電路變成一個(gè)封閉隨動(dòng)環(huán)路。圖2-4穩(wěn)流反饋環(huán)節(jié)穩(wěn)流反饋電路可以及時(shí)修正因干擾或者電路的漂移而造成的直流工作電流的波動(dòng)。而對(duì)于正弦調(diào)制信號(hào)則是依賴其自身的穩(wěn)定性，不屬于該反饋環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)對(duì)象。圖2-5直流信號(hào)通道圖2-5中t1是pi環(huán)節(jié)中比例積分，t2是純積分的時(shí)間常數(shù)，k0為比例系數(shù)?？傻梅答伃h(huán)節(jié)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：這是一個(gè)二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)，它的欠阻尼階躍響應(yīng)為：上式中，其中是阻尼系數(shù)，為閉環(huán)系統(tǒng)的固有角頻率。根據(jù)二階欠阻尼系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)估算公式：選擇阻尼系數(shù)，則有，那么根據(jù)的定義式有：，取，則有，設(shè)

20、，可推出，。由此可知它是一個(gè)i型系統(tǒng)，因此在階躍輸入條件下，其穩(wěn)態(tài)誤差為零。2.4.2 光源溫控電路設(shè)計(jì)dfbld是單縱模工作，由光腔內(nèi)的分布反饋布拉格光柵提供其光反饋。而dfbld的輸出波長由布拉格光柵的周期與等效折射率決定，所以當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，光柵周期的幾何尺寸的變化很小可以忽略不計(jì)，但等效折射率會(huì)發(fā)生近于線性的變化，從而導(dǎo)致dfbld的輸出波長隨著溫度的變化而變化。系統(tǒng)根據(jù)dfbld內(nèi)置熱敏電阻的變化驅(qū)動(dòng)制冷器工作，來保證dfbld管芯的溫度保持恒定，使dfbld的輸出功率和輸出波長保持恒定。圖2-6溫度控制電路其原理是溫度傳感器(由熱敏電阻組成)感受到溫度的變化通過電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，

21、然后與設(shè)定好的溫度相比較，偏差信號(hào)經(jīng)控制調(diào)節(jié)電路處理后決定驅(qū)動(dòng)制冷器的工作狀態(tài)，從而使溫度恒定在設(shè)定溫度附近。熱敏電阻用來測(cè)量dfbld的溫度，靈敏度較高。執(zhí)行元件是模塊中的制冷器，它是利用帕爾貼效應(yīng)的半導(dǎo)體制冷器件。為了保護(hù)制冷器，防止因其電流過大而損壞，增加了限幅電路。2.5 光電探測(cè)器光電二極管、光電倍增管，它們都是利用光電導(dǎo)效應(yīng)：即當(dāng)光照射在某些半導(dǎo)體材料表面的時(shí)候，如果入射光的能量足夠大，就能使材料的電子逸出表面，從而向外發(fā)射電子，我們把這種現(xiàn)象叫做外光電效應(yīng)或者電子發(fā)射效應(yīng)。一般情況下，這種器件的響應(yīng)速度較快，只需要幾個(gè)納秒。但是逸出電子需要較多的光子能量，通常只適宜于近紅外輻射或

22、者可見光范圍內(nèi)使用。光電探測(cè)器是光路和電路的銜接點(diǎn)，可以完成光電轉(zhuǎn)換的功能，從而提供前置放大器的輸入信號(hào)，所以它的性能和抗干擾能力對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響十分明顯。光電探測(cè)器采用深圳市興博科技有限公司的的ingaas pin尾纖型光電探測(cè)器，型號(hào)為pd-75-sm-fc/apc。其線形化設(shè)計(jì)，平面結(jié)構(gòu)，高可靠?jī)?yōu)質(zhì)半導(dǎo)體芯片，100%電老化，三管腳纖細(xì)同軸尾纖結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)越的光電性能，杰出的線性響應(yīng)。 表3-1光電探測(cè)器的主要參數(shù)2.6 信號(hào)檢測(cè)電路2.6.1 正弦波發(fā)生電路信號(hào)發(fā)生電路的采用雙t正弦波發(fā)生器電路(如圖2-7)，雙t網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成負(fù)反饋電路，當(dāng)f0=1/2rc時(shí)，電路就具有帶阻的特點(diǎn)，呈現(xiàn)的負(fù)

23、反饋?zhàn)饔米钊?。因此，在由r1、r2構(gòu)成正反饋網(wǎng)絡(luò)的作用下，很容易產(chǎn)生這一頻率的振蕩。通過改變r(jià)或c的值，可以得到不同的f0值。 圖2-7雙t正弦波發(fā)生電路2.6.2 正弦波發(fā)生電路在鎖相放大電路中要求提供調(diào)制頻率及其倍頻的同步參考信號(hào)。如圖2-8所示為數(shù)字倍頻電路。該電路由電壓比較器、密勒積分器以及異或門組成。lm111(1)是電平比較器，由它構(gòu)成整形電路，把上升時(shí)間長的波形(如正弦波)變成上升時(shí)間短的方波。其輸出的方波經(jīng)lm108和r4、c4組成的密勒積分器變換成三角波，然后再由電平比較器lm111(2)將三角波變成方波。lm111(1)與lm111(2)的輸出方波之間有90度相位差，故通過

24、異或門1/4dm8286后得到倍頻輸出。輸入頻率范圍為5khz50khz，輸出頻率范圍為10khz100khz。圖2-8倍頻電路2.6.3 前置放大電路光探測(cè)器的前置放大電路的設(shè)計(jì)與選擇是光探測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的問題。傳輸過來的微弱信號(hào)中，有用的信號(hào)淹沒在噪聲信號(hào)中，因此要根據(jù)輸入信號(hào)的噪聲特性來設(shè)計(jì)前置放大電路。實(shí)際電路使用了analog device公司的產(chǎn)品ad549作為運(yùn)放。ad549是具有極低輸入偏置電流的單片電路靜電計(jì)型運(yùn)算放大器。為達(dá)到高精度的目的，輸入偏置電壓和輸入偏置電壓漂移均通過激光調(diào)節(jié)。輸入級(jí)具有的共模阻抗，其輸入電流與共模電壓無關(guān)。ad549適用于低輸入電流和低輸入偏

25、置電壓的場(chǎng)合。它特別適合用作各種電流輸出的傳感器，如光電二極管、光電倍增管以及氧氣傳感器等的前置放大器。圖2-8 光電二極管前置放大器圖2-9 ad549引腳功能 2.6.4 濾波電路雖然與濃度相關(guān)的電壓信號(hào)經(jīng)過了前置放大器的初步處理，但是這個(gè)信號(hào)中的噪聲含量依然很大，有用的信號(hào)依然被噪聲所覆蓋，而且電平很低。這時(shí)還不能直接使用鎖相放大器，因?yàn)橐玫阶銐蚋叩男盘?hào)輸出，需要使用很大的增益，所以要先對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。應(yīng)當(dāng)采用帶通濾波器，對(duì)前置放大器的輸出信號(hào)進(jìn)行帶通濾波處理。帶通濾波器可以被看做是低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)而成的，二者的濾波范圍的交叉通帶就提供了一個(gè)帶通響應(yīng)。圖2-10為二階壓控電壓

26、源帶通濾波電路。圖中r1、c1構(gòu)成低通濾波網(wǎng)絡(luò)，r2、c2構(gòu)成高通濾波網(wǎng)絡(luò)，帶通濾波器就是二者串聯(lián)而成。圖2-10濾波電路式中r1=r3=1 k，r2=2 k，c1c20.1f，q=1.5，由上述分析可知，有源帶通濾波器的變化，既影響通帶增益，又影響濾波特性，而中心角頻率與通帶增益無關(guān)。2.7 鎖相放大器數(shù)字鎖相放大器(簡(jiǎn)稱dlia)的相敏檢波器(或同步解調(diào)器)是用數(shù)字信號(hào)處理的方式實(shí)現(xiàn)的。dlia的結(jié)構(gòu)包括：信號(hào)輸入通道、參考輸入通道、數(shù)字相敏檢波器、正交數(shù)字相敏檢波器、數(shù)字低通濾波器、輸出通道、輔助輸入通道、輸出微處理器、輔助輸出通道和微控制器部分。信號(hào)輸入一般有三種方式：?jiǎn)味穗妷狠斎?、?/p>

27、分電壓輸入和電流輸入方式。在被測(cè)信號(hào)為電壓信號(hào)的情況下，最常用的是單端電壓輸入方式。假如共模干擾信號(hào)存在于信號(hào)中，就采用差分輸入方式。 圖2-11數(shù)字鎖相放大器2.8 氣室氣室是激光光束與氣體發(fā)生作用的部分，然后攜帶有氣體濃度的信號(hào)送入檢測(cè)電路，所以氣室的設(shè)計(jì)尤為重要。氣室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)應(yīng)是內(nèi)壁光潔不吸收紅外線，不吸附氣體，化學(xué)性能穩(wěn)定，不能與待測(cè)氣體成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。氣室通?？梢苑譃閮深悾和干湫蜌馐液头瓷湫蜌馐摇ＨN常見的氣室結(jié)構(gòu)如圖2-12所示。透射型氣室(圖2-12(a)是由輸入和輸出兩組透鏡組合而成，總體結(jié)構(gòu)比較大。從光纖中出射的光，經(jīng)過輸入透鏡準(zhǔn)直后變成平行光，穿過氣室，經(jīng)過另一端的透鏡

28、耦合到輸出光纖中。氣室長度可從幾公分到幾十公分不等。反射型的氣室的原理與之類似，如圖2-12(b)。不同的是氣室由一個(gè)透鏡和一個(gè)平面反射鏡組成，平行光經(jīng)過平面反射鏡反射回輸入準(zhǔn)直透鏡，同時(shí)輸入準(zhǔn)直透鏡可以起到輸出透鏡的作用。用一個(gè)光纖定向耦合器提取部分反射的信號(hào)光，來測(cè)量氣體的濃度。這樣的氣室使光的有效吸收長度加倍，靈敏度有所增加。但是由于光纖定向耦合器將光信號(hào)分開，光功率不就能得到充分利用。假設(shè)光纖定向耦合圖2-12氣室結(jié)構(gòu)圖這兩種氣室涉及到光纖和分立光學(xué)元件的耦合問題，準(zhǔn)直較復(fù)雜，溫度穩(wěn)定性、抗震性能差。進(jìn)而在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了小型漸變折射率(grin)透鏡氣室，如圖2-12(c)所示。grin

29、透鏡的直徑小，易于實(shí)現(xiàn)光學(xué)氣室結(jié)構(gòu)的小型化。其端面是平面或者斜面，便于光學(xué)加工。通過調(diào)整折射率分布的梯度、深度和透鏡長度可以實(shí)現(xiàn)grin透鏡焦距的調(diào)節(jié)。grin透鏡光學(xué)成像的像差小，耦合而成的氣室損耗小，易準(zhǔn)直，溫度穩(wěn)定性、抗震性大大超過分立光學(xué)元件組成的氣室，能夠滿足工程上光纖氣體傳感的需求。2.9 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)虛擬儀器(virtual instrument，簡(jiǎn)稱vi)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)試技術(shù)、儀器儀表技術(shù)緊密結(jié)合而成的一項(xiàng)全新的技術(shù)。虛擬儀器是由計(jì)算機(jī)硬件資源，模塊化儀器和用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件組成的測(cè)控系統(tǒng)，是一種由計(jì)算機(jī)操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。虛擬儀器以計(jì)算機(jī)硬件做依托

30、，充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算、存儲(chǔ)、回放、調(diào)用、顯示等功能，在對(duì)傳統(tǒng)儀器的功能軟件化的同時(shí)，使其與計(jì)算有機(jī)地結(jié)合起來。1986年，ni公司正式推出了labview(laboratory virtual instrument engineering workbench)1.0，期間經(jīng)過不斷努力地改進(jìn)，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到擁有包括控制與仿真、高級(jí)數(shù)字信號(hào)處理、統(tǒng)計(jì)過程控制、模糊控制、pda和pid等眾多功能的虛擬儀器軟件。他集成了與滿足gpib、vxi、rs-232和rs-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，還內(nèi)置了便于應(yīng)用tcp/ip、activex等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。

31、利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動(dòng)有趣?？稍趙indows、linux、unix等多種操作系統(tǒng)里運(yùn)行，廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。labview已經(jīng)成為目前應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境之一。圖形化的程序語言，又稱為“g”語言。使用這種語言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此，labview是一個(gè)面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便

32、捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。虛擬示波器是以虛擬儀器技術(shù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)，利用計(jì)算機(jī)軟件分析信號(hào)，來模擬示波器的操作和功能。圖2-13是虛擬示波器的結(jié)構(gòu)圖。虛擬示波器由傳感器，信號(hào)檢測(cè)電路，數(shù)據(jù)采集卡，硬件驅(qū)動(dòng)程序以及軟件示波器組成。圖2-13虛擬示波器的結(jié)構(gòu)信號(hào)檢測(cè)電路即為前面所設(shè)計(jì)的系列電路，可以接收氣體濃度信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為與之相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，輸出到數(shù)據(jù)采集卡中。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是指基于pc計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線(如isa、pci、usb等)的數(shù)據(jù)采集功能模塊。其充分利用計(jì)算機(jī)的資源，大大增強(qiáng)了測(cè)量系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。利用數(shù)據(jù)采集卡可以方

33、便快捷地實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的“一機(jī)多用”。在性能上，隨著a/d轉(zhuǎn)換技術(shù)、信號(hào)調(diào)理技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集卡的采樣速率可達(dá)gb/s，精度可達(dá)24位，通道數(shù)高達(dá)64個(gè)，應(yīng)且可以任意結(jié)合數(shù)字i/o、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器等通道。各種性能的數(shù)據(jù)采集卡功能模塊可在計(jì)算機(jī)上任意使用，配合軟件技術(shù)，就可以構(gòu)成一臺(tái)具有眾多功能的計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括采集原始數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)等。信號(hào)經(jīng)過多路開關(guān)在軟件設(shè)定的采樣頻率下進(jìn)行采集，并由可編程放大器放大，然后經(jīng)過采樣保持和adc單元轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。通過存儲(chǔ)單元進(jìn)入計(jì)算機(jī)顯示緩沖區(qū)，最后利用軟件把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的像素并在顯示器上顯示出波形。數(shù)據(jù)采集卡的存儲(chǔ)單元有存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)緩沖器。存

34、儲(chǔ)器按照先進(jìn)先出或者循環(huán)刷新的規(guī)則暫存數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)緩沖器寄存通過a/d轉(zhuǎn)換出來的即時(shí)數(shù)據(jù)。i/o口及存儲(chǔ)控制邏輯可完成i/o編碼、定時(shí)計(jì)數(shù)、通信和控制等功能。使用前須對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的硬件進(jìn)行配置，并安裝相應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)程序。圖2-14 數(shù)據(jù)采集卡工作原理硬件驅(qū)動(dòng)程序接口負(fù)責(zé)接收信號(hào)和控制發(fā)送的功能。信道選擇模塊主要負(fù)責(zé)控制虛擬示波器采集卡的通道數(shù)。可以只由一個(gè)通道采集數(shù)據(jù)，也可以由2個(gè)通道同時(shí)采集數(shù)據(jù)觸發(fā)控制模塊設(shè)定了一些條件，可以使掃描信號(hào)與被測(cè)信號(hào)同步，并且把被測(cè)信號(hào)不斷地與這些條件相比較，當(dāng)且僅當(dāng)被測(cè)信號(hào)滿足這些條件時(shí)才啟動(dòng)掃描，使得掃描的頻率與被測(cè)信號(hào)相同或者存在某種條件關(guān)系，才能達(dá)到同步。

35、 圖2-15軟件結(jié)構(gòu)觸發(fā)控制模塊包括觸發(fā)源和觸發(fā)電平控制。時(shí)基控制對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的采樣參數(shù)進(jìn)行控制。系統(tǒng)自檢與初始化模塊負(fù)責(zé)硬件故障診斷和端口初始化等功能52-53。數(shù)據(jù)采集模塊是最為關(guān)鍵的一個(gè)程序模塊，這個(gè)模塊中應(yīng)用程序會(huì)通過采集卡的驅(qū)動(dòng)程序和硬件進(jìn)行通信，要發(fā)出各種控制字、參量字到儀器中去，同時(shí)又要對(duì)硬件的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷和處理，然后讀取采樣值。數(shù)據(jù)處理模塊通過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和運(yùn)算，顯示波形及其相關(guān)參數(shù)，可以通過外部設(shè)備保存打印。圖216基于labview的虛擬示波器 第三章 論文總結(jié)本文對(duì)國內(nèi)外光纖氣體傳感技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行充分研究的基礎(chǔ)上，論述了分子的吸收光譜，結(jié)合了比爾朗

36、伯定律和諧波分析技術(shù)，應(yīng)用漸變折射率透鏡的氣室，采用虛擬儀器技術(shù)，建立了一套以dfbld為光源的檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)信號(hào)檢測(cè)電路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。具有光纖傳輸損耗低，抗電磁干擾，防燃防爆，靈敏度高，傳感探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。本文的工作成果如下：(1)采用dfbld作為光源，10 km長的光纖作為傳輸光纖的譜吸收式光纖甲烷檢測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了dfbld的光源驅(qū)動(dòng)電路和溫度控制電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)溫和注入電流的控制，可以有效地將dfbld的中心波長對(duì)準(zhǔn)氣體的吸收峰，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)氣體濃度的高精度檢測(cè)。(2)研究了分子的吸收譜帶和吸收機(jī)理，從而能夠更好的選擇吸收峰。根據(jù)比爾朗伯定律，建立了一套諧波檢測(cè)氣體濃度的數(shù)學(xué)模型。設(shè)計(jì)了一套以鎖相放大技術(shù)為核心的微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，其包含正弦波發(fā)生電路、倍頻電路、前置放大電路和濾波電路。(3)