工程光學(xué)論文-基于諧波檢測(cè)技術(shù)的乙炔氣體濃度測(cè)量系統(tǒng)

1、.PAGE ：.；PAGE 6基于諧波檢測(cè)技術(shù)的乙炔氣體濃度丈量系統(tǒng)(工程光學(xué):郝蘊(yùn)綺)王翔宇摘要：基于乙炔氣體近紅外吸收的機(jī)理，研討了一種以DFB LD為光源的高靈敏度光譜吸收型乙炔氣體多點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)。采用光源調(diào)制實(shí)現(xiàn)氣體濃度的諧波檢測(cè)，利用二次諧波與一次諧波的比值來(lái)消除光路干擾。采用空分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)氣體濃度的檢測(cè)，使多個(gè)傳感器共用一個(gè)光源，降低了本錢(qián)。建立了諧波檢測(cè)的數(shù)學(xué)模型，給出了乙炔氣體的丈量結(jié)果。測(cè)試結(jié)果闡明：系統(tǒng)靈敏度和穩(wěn)定性高，反復(fù)性好，順應(yīng)性強(qiáng)。關(guān)鍵詞：氣體傳感器；乙炔；多點(diǎn)檢測(cè)；諧波檢測(cè)引言光纖氣體傳感器靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍大，防電磁干擾，防燃防爆，不易中毒，適宜于長(zhǎng)間隔 在

2、線丈量。但由于光源造價(jià)普通很高，限制了它的大規(guī)模運(yùn)用。乙炔()是變壓器油中的缺點(diǎn)特征氣體，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)氣體濃度對(duì)保證消費(fèi)、生活的平安非常重要?；诳辗謴?fù)用技術(shù)，將氣體傳感器組成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的多點(diǎn)丈量，使多個(gè)傳感器共用一個(gè)光源，降低了本錢(qián)。采用分布反響式半導(dǎo)體激光器(DFBLD)作為光源，經(jīng)過(guò)對(duì)光源的調(diào)制實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的二次諧波檢測(cè)，經(jīng)過(guò)二次諧波與一次諧波的比值作為系統(tǒng)的輸出，抑制了現(xiàn)有儀器受光路干擾較大的缺陷，并且比以往采用LED作為光源的差分檢測(cè)方式具有更高的靈敏度。l根本原理當(dāng)一束光強(qiáng)為的輸入平行光經(jīng)過(guò)圖1所示的氣室時(shí)，假設(shè)光源光譜覆蓋1個(gè)或多個(gè)氣體吸收線，光經(jīng)過(guò)氣體時(shí)發(fā)生衰減，根

3、據(jù)BeerLambert定律，輸出光強(qiáng)與輸入光強(qiáng)和氣體濃度之間的關(guān)系為 1式中為氣體吸收系數(shù)，即氣體在一定頻率處的吸收線型；L為吸收途徑的長(zhǎng)度；c為氣體濃度。為了產(chǎn)生諧波信號(hào)，在激光器的直流任務(wù)電流上疊加1個(gè)角頻率為的正弦信號(hào)。由于可調(diào)諧激光器的輸出頻率是注入電流的函數(shù)，所以注入電流經(jīng)正弦調(diào)制之后，激光器的輸出頻率和輸出光強(qiáng)也將遭到相應(yīng)的調(diào)制變成了隨頻率礦而變化的時(shí)變參數(shù) 2 3式中：為光源未經(jīng)調(diào)制時(shí)的中心頻率；為頻率調(diào)制幅度；為光強(qiáng)調(diào)制系數(shù)，,為電流調(diào)制頻率。將式(2)、式(3)代入式(1)，在近紅外波段，氣體的吸收數(shù)很小，滿足，光強(qiáng)的調(diào)制幅度也很小，即，1;這樣就可以運(yùn)用近似公式，并且可以

4、忽略高階小項(xiàng)，那么可為 4氣體壓力接近101325kPa時(shí)，可以用Lorenz曲線描分子的吸收譜線型 5式中：為純氣體在吸收線中心的吸收系數(shù)；和分別為對(duì)應(yīng)吸收峰的中心頻率和吸收線半寬。當(dāng)光源輸出中心波長(zhǎng)被準(zhǔn)確地鎖定在氣體吸收峰上時(shí)，=，式(4)變?yōu)?6定義，將式(6)展開(kāi)為傅里葉級(jí)數(shù)序列，它的一次諧波f和二次諧波(2f)的系數(shù)分別為 7 8式中： 9可知，二次諧波和一次諧波的比值不含有項(xiàng)，這樣用其作為系統(tǒng)的輸出可以消除光強(qiáng)動(dòng)搖等要素帶來(lái)的干擾 10可見(jiàn)，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，幅度正比于光源的平均功率，和氣體濃度沒(méi)有關(guān)系。用二次諧波和一次諧波的比值作為

5、系統(tǒng)的輸出，可以消除光源動(dòng)搖等共模噪聲。2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為線性對(duì)稱分子，在紅外光譜中共表現(xiàn)出5種根本簡(jiǎn)正振動(dòng)，吸收基頻為礦。一蠔，都不在光纖低損耗范圍之內(nèi)，并遭到其他要素如光源和探測(cè)器等條件的限制，所以選擇吸收強(qiáng)度不如基頻吸收劇烈的振動(dòng)泛頻吸收峰進(jìn)展檢測(cè)。石英光纖在155xnm內(nèi)為低損耗窗口，在1525xnm處由簡(jiǎn)正振動(dòng)和構(gòu)成的振動(dòng)泛頻吸收(+)，在1525x附近的能級(jí)躍遷主要是CH鍵對(duì)稱伸縮振動(dòng)方式，和CH鍵彎曲振動(dòng)方式組合頻帶的躍遷，轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷對(duì)吸收譜線的作用是次要的。由于分子中偶極矩的轉(zhuǎn)動(dòng)而使吸收譜具有精細(xì)構(gòu)造，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)的正負(fù)可以將吸收峰分為P支R支，并用轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)編號(hào)，因此P支和R支的

6、吸收峰的個(gè)數(shù)一樣，相對(duì)變化的規(guī)律也一樣，但是由于分子的非簡(jiǎn)諧振動(dòng)而使它們不對(duì)稱，所以在短波長(zhǎng)的P支和R支的稠密度不同。圖2是的近紅外光譜。光源選擇分布反響式半導(dǎo)體激光器，中心波長(zhǎng)為152xnm分布反響式半導(dǎo)體激光器(DFBLD)是一種內(nèi)含介質(zhì)光柵構(gòu)造，具有優(yōu)良選頻特性的單縱模激光器，所用光源采用高精度的自動(dòng)功率控制(APC)和自動(dòng)溫度控制(ATC)技術(shù)，有很高的短期穩(wěn)定度和長(zhǎng)期穩(wěn)定度并具有延續(xù)光、內(nèi)調(diào)制和外凋制3種任務(wù)方式。輸出光功率1 mW，短期穩(wěn)定度(15dB.min)和長(zhǎng)期穩(wěn)定度(8dBh。)分別為0005和0.03. 系統(tǒng)中，氣室是敏感元件，由輸入輸出透鏡組成。光纖中出射的光，經(jīng)輸入透

7、鏡準(zhǔn)直變?yōu)槠叫泄?，穿過(guò)氣室，由另一透鏡耦合到輸出光纖中。氣室設(shè)計(jì)的主要原那么是吸收光程盡能夠大，氣室中光路的耦合損耗小，耦合形狀穩(wěn)定。如圖1(a)所示波氣室構(gòu)造，入射光先要經(jīng)過(guò)透鏡準(zhǔn)直，然后經(jīng)過(guò)氣體途徑，經(jīng)過(guò)聚焦透鏡，再回到光纖，由于光路不能夠絕對(duì)準(zhǔn)直，光纖的數(shù)值孔徑有一定的范圍，光信號(hào)在這里要損失一部分，并且給系統(tǒng)帶來(lái)干擾。由于涉到光纖和分立光學(xué)元件的耦合問(wèn)題，準(zhǔn)直復(fù)雜，溫度穩(wěn)定性、抗震性能也不是最正確。所以選擇小型漸變爐折射率透鏡如圖1(b)所示，這種透鏡器件和光纖匹配性好，可選擇帶尾纖的變折射率透鏡，將傳輸光纖和透鏡尾纖直接熔接在一同，改善了耦合的穩(wěn)定性。用于多點(diǎn)氣體檢測(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

8、如圖3所示。一定數(shù)量的光纖氣體傳感器，其中每個(gè)均和各自的輸入和前往光纖連線構(gòu)成1個(gè)傳感通道?？梢越?jīng)過(guò)使它們共用1個(gè)光源和1個(gè)多路探測(cè)器陣列或使之共用1個(gè)公共探測(cè)器和1個(gè)多路光源來(lái)復(fù)用，組成1個(gè)構(gòu)造簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)，或者不運(yùn)用多路探測(cè)器陣列或多路光源，而運(yùn)用單探測(cè)器或單光源與光纖開(kāi)關(guān)或光纖多路耦合器(1 xN路耦合器)。系統(tǒng)中采用的DFB LD前后兩面均發(fā)射激光，利用后向激光穿過(guò)參考?xì)馐?，參考?xì)馐覂?nèi)裝有知濃度的氣體，檢測(cè)一次諧波作為反響信號(hào)對(duì)激光器進(jìn)展溫度控制準(zhǔn)確鎖定其波長(zhǎng)于氣體吸收峰上。DFB LD前向發(fā)出經(jīng)過(guò)調(diào)制的光經(jīng)光纖傳輸?shù)秸闪繗馐?，單路丈量的原理框圖如圖4所示，光能與氣體發(fā)生相互作用，然后將

9、攜帶有用信息的光信號(hào)傳輸?shù)絇IN光探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，送入鎖相放大器。檢出2個(gè)調(diào)制頻率的一次和二次諧波分量。二次諧波分量含有濃度信息，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。用二次諧波和一次諧波的比值作為系統(tǒng)的輸出，消除了激光器光強(qiáng)動(dòng)搖等共模噪聲和其它同性干擾的影響，單值的表征被測(cè)氣體濃度。再經(jīng)過(guò)低噪聲、高靈敏度的低通濾波電路，消除背景光的交流漂移和PIN的暗電流，并濾除信號(hào)中的高頻噪聲。經(jīng)過(guò)上述處置的反映氣體濃度的信號(hào)被送入AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)展處置、顯示及打印。3實(shí)驗(yàn)及結(jié)果采用圖3所示的系統(tǒng)進(jìn)展實(shí)驗(yàn)，采用2路傳感器，氣室長(zhǎng)度為50cm，選擇低噪聲、

10、高靈敏度的PIN光電二極管作為光電探測(cè)器，其波長(zhǎng)呼應(yīng)范圍為17nm.當(dāng)氣室中沒(méi)有待測(cè)氣體時(shí)，二次頻輸出信號(hào)為零，基頻輸出1個(gè)固定不變的電雎值，此時(shí)二次諧波與一次諧波的比值為零。采用和的混合氣體進(jìn)展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表l所示。經(jīng)多次測(cè)試，其反復(fù)性、穩(wěn)定性良好。實(shí)際與實(shí)驗(yàn)闡明，采用DFBLD調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣體濃度的諧波檢測(cè)，靈敏度和穩(wěn)定性明顯提高，只需改換光源或相應(yīng)的探測(cè)器，此系統(tǒng)即可運(yùn)用于其他氣體的檢測(cè)，具有較強(qiáng)的順應(yīng)性。參考文獻(xiàn)： 1JINWInvestigation bragggratniberopticofsensors tunablelasering byusing sourcesApplOpt，1998(37)：25172525W GPerformancelimitoffiber-2JINM，DEMOKANS，STEWARTsensorsfromcoherentbaekseatterIEEopticgas ProcOptoelectr卜1998，145(3)：1861893葉險(xiǎn)峰，湯偉中CH。氣體光纖傳感器的研討半導(dǎo)體光電，2000，21(6)：218220distancesimultaneousdetec4YAMAMOTOKTAIH，UCHIDAMLongtionofmethanea