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1、基于谐波检测技术的乙炔气体浓度测量系统(工程光学:郝蕴绮)王翔宇摘要：基于乙炔气体近红外吸收的机理，研究了一种以DFB LD为光源的高灵敏度光谱吸收型乙炔气体多点检测系统。采用光源调制实现气体浓度的谐波检测，利用二次谐波与一次谐波的比值来消除光路干扰。采用空分复用技术实现多点气体浓度的检测，使多个传感器共用一个光源，降低了成本。建立了谐波检测的数学模型，给出了乙炔气体的测量结果。测试结果表明：系统灵敏度和稳定性高，重复性好，适应性强。关键词：气体传感器；乙炔；多点检测；谐波检测引言光纤气体传感器灵敏度高，动态范围大，防电磁干扰，防燃防爆，不易中毒，适合于长距离在线测量。但由于光源造价一般很高，
2、限制了它的大规模使用。乙炔()是变压器油中的故障特征气体，实时、准确地监测气体浓度对保障生产、生活的安全十分重要。基于空分复用技术，将气体传感器组成网络，实现对气体浓度的多点测量，使多个传感器共用一个光源，降低了成本。采用分布反馈式半导体激光器(DFBLD)作为光源，通过对光源的调制实现对气体的二次谐波检测，通过二次谐波与一次谐波的比值作为系统的输出，克服了现有仪器受光路干扰较大的缺点，并且比以往采用LED作为光源的差分检测方式具有更高的灵敏度。l基本原理当一束光强为的输入平行光通过图1所示的气室时，如果光源光谱覆盖1个或多个气体吸收线，光通过气体时发生衰减，根据BeerLambert定律，输
3、出光强与输入光强和气体浓度之间的关系为 （1）式中为气体吸收系数，即气体在一定频率处的吸收线型；L为吸收路径的长度；c为气体浓度。为了产生谐波信号，在激光器的直流工作电流上叠加1个角频率为的正弦信号。由于可调谐激光器的输出频率是注入电流的函数，所以注入电流经正弦调制之后，激光器的输出频率和输出光强也将受到相应的调制变成了随频率矿而变化的时变参数 （2） （3）式中：为光源未经调制时的中心频率；为频率调制幅度；为光强调制系数，,为电流调制频率。将式(2)、式(3)代入式(1)，在近红外波段，气体的吸收数很小，满足，光强的调制幅度也很小，即，1;这样就可以运用近似公式，并且可以忽略高阶小项，则可为
4、 （4）气体压力接近101325kPa时，可以用Lorenz曲线描分子的吸收谱线型 （5）式中：为纯气体在吸收线中心的吸收系数；和分别为对应吸收峰的中心频率和吸收线半宽。当光源输出中心波长被精确地锁定在气体吸收峰上时，=，式(4)变为 （6）定义，将式(6)展开为傅里叶级数序列，它的一次谐波（f）和二次谐波(2f)的系数分别为 （7） （8）式中： （9）可知，二次谐波和一次谐波的比值不含有项，这样用其作为系统的输出可以消除光强波动等因素带来的干扰 （10）可见，检测二次谐波可以获得气体浓度信息，一次谐波分量主要由强度调制引起，幅度正比于光源的平均功率，和气体浓度没有关系。用二次谐波和一次谐波
5、的比值作为系统的输出，可以消除光源波动等共模噪声。2系统的设计为线性对称分子，在红外光谱中共表现出5种基本简正振动，吸收基频为矿。一蚝，都不在光纤低损耗范围之内，并受到其他因素如光源和探测器等条件的限制，所以选择吸收强度不如基频吸收强烈的振动泛频吸收峰进行检测。石英光纤在155xnm内为低损耗窗口，在1525xnm处由简正振动和形成的振动泛频吸收(+)，在1525x附近的能级跃迁主要是CH键对称伸缩振动模式，和CH键弯曲振动模式组合频带的跃迁，转动跃迁对吸收谱线的作用是次要的。由于分子中偶极矩的转动而使吸收谱具有精细结构，根据转动量子数的正负可以将吸收峰分为P支R支，并用转动量子数编号，因此P
6、支和R支的吸收峰的个数相同，相对变化的规律也相同，但是由于分子的非简谐振动而使它们不对称，所以在短波长的P支和R支的稠密度不同。图2是的近红外光谱。光源选择分布反馈式半导体激光器，中心波长为152xnm分布反馈式半导体激光器(DFBLD)是一种内含介质光栅结构，具有优良选频特性的单纵模激光器，所用光源采用高精度的自动功率控制(APC)和自动温度控制(ATC)技术，有很高的短期稳定度和长期稳定度并具有连续光、内调制和外凋制3种工作方式。输出光功率1 mW，短期稳定度(15dB.min)和长期稳定度(8dBh。)分别为0005和0.03. 系统中，气室是敏感元件，由输入输出透镜组成。光纤中出射的光
7、，经输入透镜准直变为平行光，穿过气室，由另一透镜耦合到输出光纤中。气室设计的主要原则是吸收光程尽可能大，气室中光路的耦合损耗小，耦合状态稳定。如图1(a)所示波气室结构，入射光先要经过透镜准直，然后通过气体路径，经过聚焦透镜，再回到光纤，因为光路不可能绝对准直，光纤的数值孔径有一定的范围，光信号在这里要损失一部分，并且给系统带来干扰。由于涉到光纤和分立光学元件的耦合问题，准直复杂，温度稳定性、抗震性能也不是最佳。所以选择小型渐变炉折射率透镜如图1(b)所示，这种透镜器件和光纤匹配性好，可选择带尾纤的变折射率透镜，将传输光纤和透镜尾纤直接熔接在一起，改善了耦合的稳定性。用于多点气体检测的传感器网
8、络系统如图3所示。一定数量的光纤气体传感器，其中每个均和各自的输入和返回光纤连线构成1个传感通道。可以通过使它们共用1个光源和1个多路探测器阵列或使之共用1个公共探测器和1个多路光源来复用，组成1个结构简单的网络，或者不使用多路探测器阵列或多路光源，而使用单探测器或单光源与光纤开关或光纤多路耦合器(1 xN路耦合器)。系统中采用的DFB LD前后两面均发射激光，利用后向激光穿过参考气室，参考气室内装有已知浓度的气体，检测一次谐波作为反馈信号对激光器进行温度控制精确锁定其波长于气体吸收峰上。DFB LD前向发出经过调制的光经光纤传输到测量气室，单路测量的原理框图如图4所示，光能与气体发生相互作用
9、，然后将携带有用信息的光信号传输到PIN光探测器转换成电信号，送入锁相放大器。检出2个调制频率的一次和二次谐波分量。二次谐波分量含有浓度信息，一次谐波分量主要由强度调制引起，幅度大小正比于光源的平均功率。用二次谐波和一次谐波的比值作为系统的输出，消除了激光器光强波动等共模噪声和其它同性干扰的影响，单值的表征被测气体浓度。再经过低噪声、高灵敏度的低通滤波电路，消除背景光的交流漂移和PIN的暗电流，并滤除信号中的高频噪声。经过上述处理的反映气体浓度的信号被送入AD转换器，转换成数字量后，送入计算机进行处理、显示及打印。3实验及结果采用图3所示的系统进行实验，采用2路传感器，气室长度为50cm，选择
10、低噪声、高灵敏度的PIN光电二极管作为光电探测器，其波长响应范围为17nm.当气室中没有待测气体时，二次频输出信号为零，基频输出1个固定不变的电雎值，此时二次谐波与一次谐波的比值为零。采用和的混合气体进行实验，实验结果如下表l所示。经多次测试，其重复性、稳定性良好。理论与实验表明，采用DFBLD调制技术实现气体浓度的谐波检测，灵敏度和稳定性明显提高，只要更换光源或相应的探测器，此系统即可应用于其他气体的检测，具有较强的适应性。参考文献： 1JINWInvestigation bragggratniberopticofsensors tunablelasering byusing sources
11、ApplOpt，1998(37)：25172525W GPerformancelimitoffiber-2JINM，DEMOKANS，STEWARTsensorsfromcoherentbaekseatterIEEopticgas ProcOptoelectr卜1998，145(3)：1861893叶险峰，汤伟中CH。气体光纤传感器的研究半导体光电，2000，21(6)：218220distancesimultaneousdetec4YAMAMOTOKTAIH，UCHIDAMLongtionofmethaneand diodelasersincombinationwithacetylenebyusingopticalfibersCalifProceedingsofEishthOpticalFiberSensorsConfer-ence1092：3333365王玉田，郭增军，王莉田新型光纤甲烷传感器的研究光学技术，2001，27(4)：3423436