1、光纖氣體傳感器 光譜吸收式光纖甲烷檢測(cè)系統(tǒng),近年全國(guó)重大礦難事故一覽,瓦斯爆炸是影響煤礦安全重大威脅之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤礦爆炸事故近80%是由瓦斯氣體爆炸引起的。瓦斯的主要成分是甲烷，約占瓦斯氣體的83%89%。 當(dāng)空氣中的甲烷濃度約為5.3%到15%時(shí)，遇火源就會(huì)爆炸；在無(wú)火源情況下，當(dāng)空氣中的甲烷濃度達(dá)到50%，能使人因缺氧而窒息死亡。 為了預(yù)防與控制事故的發(fā)生，最大限度地減少人員傷亡，研究能在線實(shí)時(shí)快速檢測(cè)甲烷氣體濃度的儀器是十分必要的。,甲烷也被認(rèn)為是溫室效應(yīng)最主要的氣體之一，甲烷吸收紅外線能力是二氧化碳的15-30倍，占據(jù)整個(gè)溫室氣體貢獻(xiàn)量的15%，溫室氣體引起的全球氣候變暖直接關(guān)系

2、到人類健康生活，更是被民眾所關(guān)心。 甲烷還與燃燒和推進(jìn)聯(lián)系非常緊密，它的濃度測(cè)量直接與對(duì)燃燒效率以及推進(jìn)過(guò)程的分析有關(guān)。,馬赫一澤德?tīng)柛缮鎯x 聲波激勵(lì)源是機(jī)械斬波的Ar離子激光器,各種光纖氣體傳感器及其性能比較,光譜吸收型光纖傳感器,光譜吸收法是通過(guò)檢測(cè)氣體透射光強(qiáng)或反射光強(qiáng)的變化來(lái)檢測(cè)氣體濃度的方法。每種氣體分子都有自己的吸收(或輻射)譜特征，光源的發(fā)射譜只有在與氣體吸收譜重疊的部分才產(chǎn)生吸收，吸收后的光強(qiáng)將發(fā)生變化。,光譜吸收型光纖傳感器,光譜吸收型光纖傳感器是基于激光光譜分析技術(shù)設(shè)計(jì)的，結(jié)合現(xiàn)代光纖通信技術(shù)，將以前主要用于實(shí)驗(yàn)室氣體分析的激光光譜分析技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。同時(shí)利用光纖技術(shù)的

3、特點(diǎn)，使光譜吸收型光纖傳感器在探測(cè)靈敏度、遠(yuǎn)程遙測(cè)、多點(diǎn)測(cè)量方面發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì),近紅外光譜吸收型光纖傳感器,近紅外光是指波長(zhǎng)在7802526nm范圍內(nèi)的電磁波，甲烷氣體分子的泛頻和組合頻吸收峰正好落在光纖0.8-1.7m的近紅外區(qū)域低損耗傳輸窗口范圍內(nèi)，且在這一波段的光學(xué)器件比較成熟，使得近紅外光譜在在線分析領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。,近紅外光譜吸收型光纖傳感器,近紅外光譜吸收型光纖氣體傳感器與其他光纖氣體傳感器相比具有極高的測(cè)量靈敏度，極高的氣體鑒別能力，快速的響應(yīng)能力，簡(jiǎn)單可靠的氣體傳感探頭、氣室以及易于形成網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，是目前研究最廣泛，最有前途的一種光纖氣體傳感技術(shù)。,光譜吸收式光纖氣體傳感

4、器國(guó)外研究現(xiàn)狀,最早應(yīng)用光譜吸收式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行氣體濃度測(cè)試研究的是日本Tohoku大學(xué)的H. Inaba和K. Chan等，他們?cè)诠饫w透射窗口波段范圍內(nèi)，做了一些氣體傳感的基本研究。1979年，他們提出利用長(zhǎng)距離光纖進(jìn)行大氣污染檢測(cè)。1981年，他們又報(bào)道了光纖二氧化氮?dú)怏w濃度的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。利用二氧化氮在400nm處和800nm處的較寬吸收峰，用LED作光源進(jìn)行二氧化氮的直接吸收測(cè)量，與此同時(shí)，還進(jìn)行了光纖化的甲烷氣體濃度測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究，并于1983年用LED作為寬帶光源，配合窄帶干涉濾光片，對(duì)甲烷在1331.2nm附近的Q線進(jìn)行檢測(cè)，系統(tǒng)最小可探測(cè)靈敏度為25%LEL(氣體爆炸下限),光譜吸

5、收式光纖氣體傳感器國(guó)外研究現(xiàn)狀,1987年J. P. Dakin和C. A. wade等人報(bào)道了一種利用梳狀濾波器和寬帶光源(LED)測(cè)量甲烷氣體濃度的方法。入射光可覆蓋一簇氣體吸收峰，通過(guò)氣體吸收后，光譜被調(diào)制為梳狀。這種方法適合于甲烷和乙炔等具有梳狀吸收峰的氣體。 1988年，A. Mohebati和T. A.King用1.33m的InGaAsP多模激光器測(cè)量了甲烷氣體的濃度，采用波長(zhǎng)差分吸收法，室溫下可以測(cè)量最小靈敏度可達(dá)1000 ppm。,光譜吸收式光纖氣體傳感器國(guó)外研究現(xiàn)狀,1990年，H. Tai和K. Yamamoto等利用1.66m單模分布反饋式(DFB LD)半導(dǎo)體激光器，采

6、用了波長(zhǎng)(頻率)調(diào)制的諧波檢測(cè)方法，室溫下檢測(cè)甲烷氣體濃度，最小可探測(cè)靈敏度可達(dá)20 ppm。這一系統(tǒng)將可調(diào)諧半導(dǎo)體激光光源(DFB LD)，波長(zhǎng)調(diào)制諧波檢測(cè)和光纖技術(shù)結(jié)合起來(lái)，獲得了很高的探測(cè)靈敏度。在以后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，沿著這種技術(shù)方向，又有一些光纖氣體探測(cè)系統(tǒng)被報(bào)道出來(lái)。,光譜吸收式光纖氣體傳感器國(guó)外研究現(xiàn)狀,1992年，H. Tai給出了采用兩個(gè)DFB LD光源組成一個(gè)復(fù)合光源，在同一個(gè)光纖傳感系統(tǒng)中同時(shí)測(cè)量甲烷和乙炔的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)中的傳輸光纖長(zhǎng)4km，氣室長(zhǎng)10cm，檢測(cè)系統(tǒng)采用波長(zhǎng)調(diào)制的諧波檢測(cè)技術(shù)，甲烷的最小可探測(cè)靈敏度為5ppm，乙炔的最小可探測(cè)靈敏度為3ppm，氣體間

7、的串?dāng)_很小，可以忽略，是一種傳感器的復(fù)用方法。 V. Weldon在1993年和1994年分別報(bào)道了采用一個(gè)1.64m可調(diào)諧DFB激光器同時(shí)測(cè)量甲烷和二氧化碳及一個(gè)1.57m可調(diào)諧DFB激光器同時(shí)測(cè)量硫化氫和二氧化碳?xì)怏w的實(shí)驗(yàn)研究，其最小探測(cè)靈敏度都優(yōu)于10ppm。,光譜吸收式光纖氣體傳感器國(guó)外研究現(xiàn)狀,為了光纖氣體傳感技術(shù)的工程應(yīng)用，人們更加關(guān)注氣體傳感的噪聲分析。通過(guò)對(duì)諧波檢測(cè)技術(shù)的分析，有人提出了優(yōu)化諧波檢測(cè)技術(shù)參數(shù)的方法。靳偉博士和G. Stewart對(duì)氣體傳感中相干噪聲的來(lái)源及消除方法進(jìn)行了深入的研究。其中G. Stewart建立了光纖氣體傳感頭端反射噪聲的模型，而靳偉博士則提出了光

8、纖氣體傳感系統(tǒng)中反射相干信號(hào)的更普遍模型，并且對(duì)單點(diǎn)氣體傳感器做了比較全面的噪聲誤差分析，給出了理論極限,光譜吸收式光纖氣體傳感器國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀,1989年，西安光機(jī)所郭栓運(yùn)等在應(yīng)用光學(xué)雜志上介紹了差分光譜光纖氣體傳感器的基本原理，列舉了一些具體應(yīng)用實(shí)例。 上海交通大學(xué)應(yīng)用物理系的一個(gè)研究小組于1990年用國(guó)產(chǎn)元件建立了一個(gè)檢測(cè)大氣中甲烷氣體濃度的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置的測(cè)量靈敏度約為7000ppm，是甲烷氣體在大氣中最低爆炸極限的13%。,光譜吸收式光纖氣體傳感器國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀,1997年，山東礦業(yè)學(xué)院的曹茂永等對(duì)光譜吸收式光纖瓦斯傳感器的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，提出根據(jù)傳感器的技術(shù)指標(biāo)確定其基本參數(shù)的方

9、法。 2000年，浙江大學(xué)葉險(xiǎn)峰博士用中心波長(zhǎng)為1.3m的LED作光源，配合閃耀光柵對(duì)CH4氣體進(jìn)行了檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)靈敏度為1300ppm 。,光譜吸收式光纖氣體傳感器國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀,2001年燕山大學(xué)王玉田教授及郭增軍博士提出光纖傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)相結(jié)合，研制一種基于差分吸收技術(shù)的光纖甲烷氣體檢測(cè)儀。2004年，王玉田教授和他的研究小組利用復(fù)用多個(gè)光譜吸收型光纖傳感器，并通過(guò)諧波檢測(cè)技術(shù)對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)一套甲烷氣體多點(diǎn)光纖傳感系統(tǒng)。該傳感器系統(tǒng)可探測(cè)氣體濃度范圍為200ppm-100%，可在多場(chǎng)合進(jìn)行多點(diǎn)在線測(cè)量，測(cè)量精確度和穩(wěn)定性均大大提高，但是測(cè)量點(diǎn)數(shù)目依然不高。,光譜吸

10、收式光纖氣體傳感器國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀,哈爾濱工程大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、武漢理工大學(xué)、安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所、華南理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所、東南大學(xué)、山西大學(xué)、北京交通大學(xué)、太原理工大學(xué)等也均開(kāi)展了相關(guān)研究。,核心思想：Lambert-Beer定律,光譜吸收式氣體傳感器理論基礎(chǔ),為光頻為v處的吸收系數(shù)，表示體積濃度為100%，吸收光程長(zhǎng)度為1cm時(shí)吸收氣體對(duì)頻率為的v單色光的吸收能力； C為吸收氣體體積濃度百分比； L為總的氣體吸收光程，單位cm。,核心思想：Lambert-Beer定律,光譜吸收式氣體傳感器理論基礎(chǔ),當(dāng)C 或L 很小時(shí)，有,則Lambert-Beer定律近似為：,為氣體吸收譜

11、線中心波數(shù)；,為氣體吸收譜線半寬；,為氣體吸收譜線中心處的吸收系數(shù),核心思想：Lambert-Beer定律,光譜吸收式氣體傳感器理論基礎(chǔ),氣體分子光譜吸收理論,氣體分子只吸收那些能量正好等于它的某兩個(gè)能級(jí)的能量之差的光子，吸收的光子后的分子將從低能態(tài)激發(fā)到較高的能態(tài)上，在激發(fā)態(tài)停留很短的時(shí)間后，有通過(guò)釋放出光子回到穩(wěn)定態(tài)，這就是氣體分子的選擇吸收理論。,甲烷氣體吸收光譜圖,光譜吸收式氣體傳感器理論基礎(chǔ),甲烷特征譜線分析與選擇,甲烷氣體的組合頻和泛頻吸收波長(zhǎng)分別為1.33m和1.66m。,甲烷特征譜線分析與選擇,甲烷氣體的組合頻和泛頻吸收波長(zhǎng)分別為1.33m和1.66m。,根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)

12、資料顯示，甲烷氣體在1.66m處的吸收強(qiáng)度比在1.33m處更大，這樣有利于微弱信號(hào)的檢測(cè)； 1.66m處于近紅外區(qū)石英光纖低損耗、低色散區(qū)，這一波段與通信上所用的1.55m波段接近，因此光器件更容易獲得； 水蒸氣、二氧化碳等在1.66m處無(wú)明顯吸收。,甲烷在波長(zhǎng)附近有三條相距非常近的吸收線，三條吸收線分布在小于0.01nm波長(zhǎng)范圍之內(nèi)，可以合成為一條在1653.72nm處、半寬為0.018nm的吸收線，并以此作為檢測(cè)的吸收線。,CH4在1653.72nm處吸收譜線精細(xì)結(jié)構(gòu)及吸收系數(shù)合成圖,甲烷特征譜線分析與選擇,檢測(cè)方法,差分吸收技術(shù) 調(diào)制技術(shù),目的：抑制噪聲，提高靈敏度,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù)

13、,一路通過(guò)含有被測(cè)氣體的檢測(cè)氣室；一路通過(guò)不含被測(cè)氣體的參考?xì)馐壹凑婵眨渌p代表了光路中與被測(cè)物質(zhì)無(wú)關(guān)的損耗。,雙波長(zhǎng)差分,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,i1、i2分別為兩探測(cè)器的輸出光電流； d1、d2為分光器的分光系數(shù) Kf1、Kf2為探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)； Kc1、Kc2 為兩光路的損耗系數(shù),單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,設(shè),則,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),單波長(zhǎng)差分吸收技術(shù)適用于窄帶光源，比如激光器，其譜線寬度較小，能量比較集中。如果激光器的中心波長(zhǎng)和氣體吸收峰中心波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)，則由測(cè)量通過(guò)待測(cè)氣體的輸出光強(qiáng)可以檢測(cè)氣體的濃度。,雙波長(zhǎng)差分,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,優(yōu)點(diǎn)：可從

14、理論上完全消除光路的干擾因素，并消除光源輸出光功率不穩(wěn)定的影響。 缺點(diǎn)：對(duì)光源中心波長(zhǎng)的漂移以及濾波特性對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響是無(wú)能為力的。,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),兩個(gè)濾光片的中心波長(zhǎng)分別為 和 對(duì)應(yīng)被檢測(cè)氣體的強(qiáng)吸收峰，稱為工作波長(zhǎng)； 對(duì)應(yīng)被檢測(cè)氣體的弱吸收波段，稱為參考波長(zhǎng)。 兩個(gè)波長(zhǎng)盡可能靠近，這樣光路對(duì)工作波長(zhǎng)和參考波長(zhǎng)的干擾效應(yīng)就可認(rèn)為是近似相等的。,雙波長(zhǎng)差分,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分, 是光學(xué)系統(tǒng)的耦合參數(shù)； ， 為探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)； ， 為光路的干擾因素。,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,相除，得,可簡(jiǎn)化為,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,優(yōu)點(diǎn)：有效消除光路干擾和光源

15、強(qiáng)度變化的影響，靈敏度高 缺點(diǎn)：斬波器的使用，使得穩(wěn)定性不高；濾波片的使用，使得有用光功率不足。,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,光強(qiáng)調(diào)制,頻率調(diào)制,光程調(diào)制,濃度調(diào)制,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,光強(qiáng)調(diào)制是按一定規(guī)律改變?nèi)肷涔獾膹?qiáng)度，然后在輸出端按照相應(yīng)的規(guī)律解調(diào)出氣體吸收信號(hào)的過(guò)程。,光強(qiáng)調(diào)制,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,為了提高信噪比，應(yīng)該增大調(diào)制系數(shù)。光源的強(qiáng)度調(diào)制是通過(guò)調(diào)制激光器的注入電流實(shí)現(xiàn)的，而注入電流的大幅度變化會(huì)導(dǎo)致激光器輸出光的波長(zhǎng)發(fā)生變化；后者很小的變化就會(huì)使氣體吸收系數(shù)發(fā)生很大的變化。因此，光源強(qiáng)度調(diào)制檢測(cè)氣體濃度是一種很粗糙的手段。,光強(qiáng)調(diào)制,單波長(zhǎng)差分

16、,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,對(duì)氣體濃度的調(diào)制可以通過(guò)對(duì)氣室內(nèi)氣體的壓力進(jìn)行調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用基于聲諧振蕩器原理的聲波調(diào)制可以達(dá)到這一目的。 濃度調(diào)制在理論上是一種抗干擾能力較強(qiáng)的檢測(cè)方法，但是精確的調(diào)制聲波駐場(chǎng)不容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)氣室和聲波振蕩裝置要求都很高；另外，聲源的驅(qū)動(dòng)可能會(huì)使氣室受到電磁干擾，影響檢測(cè)的精確度。,濃度調(diào)制,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,因半導(dǎo)體激光器輸出波長(zhǎng)與注入的驅(qū)動(dòng)電流有關(guān)，可通過(guò)調(diào)制注入電流實(shí)現(xiàn)對(duì)光源波長(zhǎng)的調(diào)制，從而形成一種波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)（WMS, Wavelength Modulation Spectroscopy ） 優(yōu)點(diǎn)：可以抑制檢測(cè)系統(tǒng)中的各種背景噪聲，提高系統(tǒng)

17、的檢測(cè)靈敏度，實(shí)現(xiàn)低濃度（可達(dá)ppm量級(jí)）氣體的檢測(cè),波長(zhǎng)調(diào)制,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,波長(zhǎng)調(diào)制,加入正弦信號(hào)調(diào)制后的電流：,激光器輸出的頻率：,甲烷吸收線線型函數(shù)為：,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,波長(zhǎng)調(diào)制,當(dāng),有：,展開(kāi)成傅里葉偶函數(shù)有：,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,波長(zhǎng)調(diào)制,當(dāng),有：,展開(kāi)成傅里葉偶函數(shù)有：,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,波長(zhǎng)調(diào)制,經(jīng)過(guò)前置放大電路及鎖相放大器諧波提取，可得一、二次諧波信號(hào)包絡(luò)為,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,波長(zhǎng)調(diào)制,一次諧波信號(hào)幅度,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,波長(zhǎng)調(diào)制,二次諧波信號(hào)幅度,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差

18、分,諧波檢測(cè)技術(shù)(Harmonic Detection)的理論基礎(chǔ)是傅立葉變換理論，已被廣泛應(yīng)用于微弱信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域。其基本原理是通過(guò)頻率來(lái)調(diào)制某個(gè)依賴于此頻率變化的信號(hào)，使其覆蓋待測(cè)的特征信號(hào)，然后在數(shù)據(jù)采集處理過(guò)程中，以該調(diào)制頻率作為鎖相放大器（Lock-in Amplifier）的參考輸入頻率，提取出含有特征信息的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)是與該頻率有關(guān)的一系列諧波信息。,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,波長(zhǎng)調(diào)制的難點(diǎn),系統(tǒng)的穩(wěn)定性容易受到溫度、電流波動(dòng)等因素的影響，激光器波長(zhǎng)也主要和溫度和電流這兩個(gè)因素有關(guān)。 在近紅外區(qū)，氣體吸收線的譜線寬度很窄，所以，當(dāng)溫度、電流波動(dòng)時(shí)激光器中心波長(zhǎng)很難嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)

19、氣體吸收峰。,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,波長(zhǎng)調(diào)制的實(shí)現(xiàn),附加參考?xì)馐遗c波長(zhǎng)調(diào)制相結(jié)合的方法,經(jīng)過(guò)余弦調(diào)制的光通過(guò)一個(gè)參考?xì)馐?，參考?xì)馐覂?nèi)裝有濃度固定且和被測(cè)氣體種類相同的氣體；,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,波長(zhǎng)調(diào)制的實(shí)現(xiàn),附加參考?xì)馐遗c波長(zhǎng)調(diào)制相結(jié)合的方法,若激光器輸出中心波長(zhǎng)和氣體吸收峰中心波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)，理論上一次諧波為零，如果中心波長(zhǎng)有一定偏差，就會(huì)產(chǎn)生一次諧波，這樣就可以利用一次諧波作為誤差信號(hào)，將光源波長(zhǎng)精確的鎖定在氣體的吸收峰上。,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,波長(zhǎng)調(diào)制的實(shí)現(xiàn),波長(zhǎng)掃描與波長(zhǎng)調(diào)制相結(jié)合的方法,三角波掃描與正弦波調(diào)制 激光二極管的驅(qū)動(dòng)電流由直流量、余弦波和

20、三角波信號(hào)組成,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,波長(zhǎng)調(diào)制的實(shí)現(xiàn),波長(zhǎng)掃描與波長(zhǎng)調(diào)制相結(jié)合的方法,直流量對(duì)應(yīng)激光二極管的中心波長(zhǎng)； 高頻的余弦信號(hào)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器波長(zhǎng)的調(diào)制； 低頻三角波信號(hào)用于改變激光二極管的輸出波長(zhǎng)，使其在中心波長(zhǎng)附近進(jìn)行掃描。,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,波長(zhǎng)調(diào)制的實(shí)現(xiàn),波長(zhǎng)掃描與波長(zhǎng)調(diào)制相結(jié)合的方法,特點(diǎn)：激光二極管的中心波長(zhǎng)不需要嚴(yán)格的對(duì)準(zhǔn)氣體的吸收峰，從而不需要對(duì)激光二極管采取穩(wěn)頻措施，仍可以達(dá)到很高的檢測(cè)靈敏度,單波長(zhǎng)差分,調(diào)制技術(shù),雙波長(zhǎng)差分,波長(zhǎng)調(diào)制的實(shí)現(xiàn),波長(zhǎng)掃描與波長(zhǎng)調(diào)制相結(jié)合的方法,三角波和正弦波的疊加后的波形,微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù),微弱信號(hào)檢測(cè)是吸

21、收型光纖氣體傳感器的關(guān)鍵技術(shù)之一。 噪聲是限制微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的決定性因素，對(duì)于微弱信號(hào)檢測(cè)來(lái)說(shuō)，如能有效克服噪聲，就可以提高信號(hào)檢測(cè)的靈敏度。 光電探測(cè)器輸出的信號(hào)中，含有氣體濃度信息的信號(hào)是淹沒(méi)在噪聲中的微弱電信號(hào)，尤其在低濃度氣體檢測(cè)的情況下，微弱檢測(cè)信號(hào)本身的起伏、傳感器的優(yōu)劣、放大電路及測(cè)量?jī)x器的固有噪聲以及外界的干擾噪聲等，使得有用的被測(cè)信號(hào)被大量的噪聲和干擾所淹沒(méi)。 微弱信號(hào)檢測(cè)的關(guān)鍵在于抑制噪聲，恢復(fù)、增強(qiáng)和提取有用信號(hào)，即提高其信噪改善比。,微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù),主要方法：濾波技術(shù)、相關(guān)原理和相關(guān)檢測(cè)技術(shù)、低噪聲放大等。 相關(guān)原理：鎖相放大器（基于互相關(guān)原理） 鎖相放大器作為一種

22、有效地檢測(cè)微弱信號(hào)的手段在研究中廣泛應(yīng)用，它可在強(qiáng)噪聲及噪聲環(huán)境中測(cè)量微弱慢變的光學(xué)信號(hào)，在光學(xué)測(cè)量中有重要作用。,鎖相放大器,用調(diào)制器將直流或慢變信號(hào)的頻譜遷移到調(diào)制頻率處，再進(jìn)行放大，以避開(kāi)噪聲的不利影響；,鎖相放大器,利用相敏檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)的解調(diào)過(guò)程，可以同時(shí)利用頻率和相角進(jìn)行檢測(cè)，噪聲與信號(hào)同頻又同相的概率很低；,鎖相放大器,用低通濾波器而不是用帶通濾波器來(lái)抑制寬帶噪聲。低通濾波器的頻帶可以做的很窄，而且其頻帶寬度不受調(diào)制頻率的影響，穩(wěn)定性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于帶通濾波器。,鎖相放大器,被測(cè)信號(hào),參考輸入,輸出信號(hào),檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,一次諧波檢測(cè)系統(tǒng)框圖,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,一次諧波檢測(cè)系統(tǒng)框圖

23、,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,一次和二次諧波檢測(cè)系統(tǒng)框圖,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,LD激光器選擇依據(jù),鑒于光纖傳感器的結(jié)構(gòu)有限，要求光源體積小，便于與光纖耦合，所以光源模塊應(yīng)具有高集成度，便于維護(hù)，使用方便； 激光器有足夠大的光功率輸出，特別是激光器和光纖之間的耦合效率要高，在長(zhǎng)距離應(yīng)用時(shí)，足以保證光電檢測(cè)器能夠檢測(cè)； 輸出中心頻率同甲烷氣體的吸收譜線中心（1653.72nm）相吻合，激光器譜線寬度要遠(yuǎn)小于氣體吸收線半寬，并且在中心頻率附近有良好的線性調(diào)諧特性；,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,LD激光器選擇依據(jù),激光器壽命長(zhǎng)，光源工作時(shí)穩(wěn)定性好、噪聲小，能在室溫下連續(xù)長(zhǎng)期工作； 激光器有高速的調(diào)制相應(yīng)特性，即寬帶的調(diào)制特

24、性； 有良好的溫度特性，即激光器在工作環(huán)境溫度變化時(shí)，其性能應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定。,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,LD激光器選擇依據(jù),VCSEL內(nèi)部組件及對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)圖,LD封裝及組件管殼結(jié)構(gòu)圖,德國(guó)Vertilas公司的VCSEL激光二極管,VL-1654-1-SQ-H5,Vertilas-SM-VCSEL-1654nm-1654-H5激光器光電特性指標(biāo)(To=25oC),實(shí)際工作溫度為30，對(duì)應(yīng)的電流約為6mA,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,LD激光器選擇依據(jù),由,可得激光器的 為0.000273479nm,與甲烷氣體吸收線半寬之比為,激光器譜線寬度和甲烷氣體吸收線寬度相當(dāng)于差兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此合理的調(diào)制激光器能夠?qū)崿F(xiàn)甲烷氣體的

25、高靈敏度檢測(cè)。,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,LD驅(qū)動(dòng)控制方案,一般通過(guò)在溫度得到控制的基礎(chǔ)上對(duì)LD采用電流調(diào)諧，即在一定直流偏置（對(duì)應(yīng)中心波長(zhǎng)）的基礎(chǔ)上疊加調(diào)制電流，實(shí)現(xiàn)LD的調(diào)制控制 ，電路中還引入保護(hù)電路。,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,在WMS過(guò)程中，利用VCSEL的等效電容快速可調(diào)性和較寬的調(diào)諧范圍的優(yōu)勢(shì)，疊加了直流偏置、三角波和正弦波調(diào)制信號(hào)的激光輸出慢慢地掃過(guò)待測(cè)氣體的吸收線，使氣體得到充分的吸收。,LD驅(qū)動(dòng)控制方案,LD信號(hào)發(fā)生電路,信號(hào)發(fā)生電路選用美國(guó)Intersil公司生產(chǎn)的單片精密函數(shù)發(fā)生器芯片ICL8038，通過(guò)外圍的電路設(shè)計(jì)，它可以產(chǎn)生高質(zhì)量的正弦波與三角波。,LD信號(hào)合成電路,信號(hào)發(fā)生電路

26、產(chǎn)生的三角波、正弦波信號(hào)分別經(jīng)電容C2與C5交流耦合進(jìn)疊加電路，再經(jīng)運(yùn)算放大器NE5532對(duì)兩種信號(hào)分別進(jìn)行放大，通過(guò)可調(diào)諧電阻RW5、RW6將信號(hào)衰減到一定的大小后，用低溫漂運(yùn)放OP37進(jìn)行信號(hào)合成與放大。,LD驅(qū)動(dòng)電路,電路中T1、T2、T3為同批次，系數(shù)一致的P型硅管。 電路中的R2和T2起保護(hù)LD的作用。當(dāng)流過(guò)R2的電流高于10mA，即R2兩端的壓差為0.7V時(shí)，T2的基極和發(fā)射極間的PN結(jié)導(dǎo)通，較大的電流直接從T2的集電極到達(dá)T2的基極和發(fā)射極，很小的電流流過(guò)LD，從而可將流過(guò)LD的電流限制在10mA以下，達(dá)到保護(hù)激光器的目的。,工作中LD的偏置直流電流為6mA，其能承受的最大電流為

27、10.32mA,LD溫度控制方案,方案中采用兩級(jí)溫度控制，即激光器外部工作環(huán)境（機(jī)箱）溫度控制和激光器內(nèi)部組件TEC溫度控制相結(jié)合。兩層溫度控制的思想可盡量減少環(huán)境溫度對(duì)激光器工作狀態(tài)的影響。,LD溫度控制方案,機(jī)箱溫度的采集是通過(guò)采用檢測(cè)靈敏度較高、溫度與輸出電流成線性變化的集成溫度傳感器 AD590來(lái)實(shí)現(xiàn)的。AD590將探測(cè)的機(jī)箱溫度轉(zhuǎn)化成與絕對(duì)溫度成比例的電流輸出，并與所設(shè)計(jì)的與溫度相關(guān)的參考電流相比較后轉(zhuǎn)化為與溫度成比例的電壓輸出，然后與設(shè)定的溫度比較后由加熱板或風(fēng)扇來(lái)執(zhí)行溫度控制，將溫度調(diào)節(jié)到所設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。,機(jī)箱溫度控制框圖,LD溫度控制方案,半導(dǎo)體激光器組件包括激光二極管、熱

28、電致冷器、溫度傳感器、PIN光檢測(cè)器、熱沉等 。 偏置電流和信號(hào)電流經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路作用于激光二極管，激光二極管正向發(fā)射的光經(jīng)透鏡進(jìn)入光纖，反向發(fā)射的光經(jīng)PIN光檢測(cè)器轉(zhuǎn)換進(jìn)入自動(dòng)功率控制，同時(shí)致冷器的冷端與激光二極管的熱沉接觸，通過(guò)埋在熱沉里的熱敏電阻可以探測(cè)到激光器結(jié)區(qū)的溫度，并與設(shè)定的工作溫度比較，將產(chǎn)生的誤差信號(hào)傳遞給PID控制電路，通過(guò)控制電路改變熱電致冷器(TEC)電流的大小和流向以達(dá)到加熱或致冷，保持激光器工作溫度的恒定。,半導(dǎo)體激光器組件構(gòu)成,LD溫度控制方案,內(nèi)層是采用以溫度為反饋量的閉環(huán)控制模式，以半導(dǎo)體制冷（TEC）作為溫度控制的執(zhí)行器件。 內(nèi)層溫度控制是通過(guò)組件熱敏電阻將LD

29、的溫度反饋到輸入端，經(jīng)與設(shè)計(jì)溫度比較、PI調(diào)節(jié)后，驅(qū)動(dòng)TEC工作實(shí)現(xiàn)溫度控制。,內(nèi)層溫度控制原理圖,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,吸收氣室設(shè)計(jì)原則,吸收光程應(yīng)盡可能大。根據(jù)Lambert-Beer定律，增加氣體吸收路徑的長(zhǎng)度L，可以直接提高系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度； 光路耦合損耗小，可靠性高； 體積盡可能小，便于實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中移動(dòng)方便。,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,吸收氣室模型圖與實(shí)物圖,510cm光程,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,吸收氣室：離軸積分腔（OA-ICOS）,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,光電檢測(cè)器的選擇,有較高的探測(cè)靈敏度，能夠檢測(cè)微小光信號(hào)的變化； 響應(yīng)迅速，滿足實(shí)時(shí)性的需要； 低噪聲，抗干擾性好。在微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中是必要的，

30、要求檢測(cè)器本身產(chǎn)生的噪聲越小越好； 高保真、線性度好。在模擬信號(hào)檢測(cè)中尤為重要； 穩(wěn)定性好，可靠性高。,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,光電檢測(cè)器的選擇,PIN光電二極管是光纖通信與光纖傳感系統(tǒng)中最常用的光電探測(cè)器,優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低廉、靈敏度高、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定、使用方便等特點(diǎn),檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,濾波電路,帶通濾波：使一次諧波和二次諧波的頻率成分落在這個(gè)通帶內(nèi)，有效地提高信噪比，從而有利于利用鎖相放大提取一次諧波和二次諧波信號(hào)。 無(wú)源濾波和有源濾波,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,濾波電路,帶通濾波：,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,濾波電路,低通濾波：用在鎖相放大器之后，用于檢測(cè)反映氣體濃度的一次諧波信號(hào)的幅度。,MAX295構(gòu)成的

31、LPF電路,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,鎖相放大電路,提取含有甲烷濃度信息的微弱信號(hào),AD630鎖相放大應(yīng)用電路,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,鎖相放大電路,鎖相前端移相電路,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,倍頻電路,用于提取二次諧波信號(hào)幅度,AD734倍頻電路,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,硬件抗干擾措施,屏蔽技術(shù)：可以防止系統(tǒng)外部輻射干擾進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，同時(shí)也可限制內(nèi)部模塊間的干擾。 接地技術(shù)：合理地選擇接地方式是抑制電容性耦合、電感性耦合、電阻耦合，減小或削弱干擾的重要措施。 電源設(shè)計(jì)： DC-DC轉(zhuǎn)換模塊選用的是MINMAX的開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)頻率為290360kHz，是一類低紋波、低噪聲的模塊。 PCB設(shè)計(jì)： 印刷電路板設(shè)計(jì)好壞對(duì)抗干擾

32、能力影響很大，要求布線盡量簡(jiǎn)單、短潔，符合抗干擾原則。,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)框圖,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,軟件處理流程圖,方案一,方案二,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型圖,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,數(shù)據(jù)處理流程圖,一次諧波信號(hào)幅度均值、峰峰值,二次諧波信號(hào)幅度最大值,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,軟件抗干擾措施,看門(mén)狗技術(shù) ； 軟件攔截技術(shù)（軟件陷阱） ； 數(shù)字濾波方法 ； 指令冗余技術(shù) ； 開(kāi)機(jī)自檢,軟件抗干擾是被動(dòng)措施，而硬件抗干擾是主動(dòng)措施。但由于軟件設(shè)計(jì)靈活，節(jié)省硬件資源，所以軟件抗干擾技術(shù)也越來(lái)越多的被使用。采用硬件、軟件相結(jié)合的抗干擾措施，就能保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。,檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)圖,系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析,激光器調(diào)制信號(hào)波形,系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析,濃度為2500ppm時(shí) PIN輸出與一次諧波信號(hào)幅度波形,系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析,在溫度穩(wěn)定的情況下，圖中點(diǎn)A、B對(duì)應(yīng)掃描電流的中心值，通過(guò)時(shí)間電流與電流波長(zhǎng)的關(guān)系結(jié)合激光器參數(shù)，可將波形圖中的時(shí)間軸等效為波長(zhǎng)軸，可通過(guò)對(duì)時(shí)間軸的測(cè)量來(lái)檢驗(yàn)波長(zhǎng)的穩(wěn)定度，進(jìn)而判斷出溫度控制的精度。,調(diào)制電流與氣體吸收一次諧波曲線,由