1、PAGE PAGE 9基于諧波檢測(cè)技技術(shù)的乙炔氣氣體濃度測(cè)量量系統(tǒng)(工程光學(xué):郝郝蘊(yùn)綺)王翔宇摘要：基于乙炔炔氣體近紅外外吸收的機(jī)理理，研究了一一種以DFBB LD為光光源的高靈敏敏度光譜吸收收型乙炔氣體體多點(diǎn)檢測(cè)系系統(tǒng)。采用光光源調(diào)制實(shí)現(xiàn)現(xiàn)氣體濃度的的諧波檢測(cè)，利利用二次諧波波與一次諧波波的比值來(lái)消消除光路干擾擾。采用空分分復(fù)用技術(shù)實(shí)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)氣體體濃度的檢測(cè)測(cè)，使多個(gè)傳傳感器共用一一個(gè)光源，降降低了成本。建建立了諧波檢檢測(cè)的數(shù)學(xué)模模型，給出了了乙炔氣體的的測(cè)量結(jié)果。測(cè)測(cè)試結(jié)果表明明：系統(tǒng)靈敏敏度和穩(wěn)定性性高，重復(fù)性性好，適應(yīng)性性強(qiáng)。關(guān)鍵詞：氣體傳傳感器；乙炔炔；多點(diǎn)檢測(cè)測(cè)；諧波檢測(cè)測(cè)引言光纖

2、氣體傳感器器靈敏度高，動(dòng)動(dòng)態(tài)范圍大，防防電磁干擾，防防燃防爆，不不易中毒，適適合于長(zhǎng)距離離在線測(cè)量。但但由于光源造造價(jià)一般很高高，限制了它它的大規(guī)模使使用。乙炔()是變壓器器油中的故障障特征氣體，實(shí)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地地監(jiān)測(cè)氣體濃濃度對(duì)保障生生產(chǎn)、生活的的安全十分重重要。基于空空分復(fù)用技術(shù)術(shù)，將氣體傳傳感器組成網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)氣體濃度的的多點(diǎn)測(cè)量，使使多個(gè)傳感器器共用一個(gè)光光源，降低了了成本。采用用分布反饋式式半導(dǎo)體激光光器(DFBBLD)作為為光源，通過(guò)過(guò)對(duì)光源的調(diào)調(diào)制實(shí)現(xiàn)對(duì)氣氣體的二次諧諧波檢測(cè)，通通過(guò)二次諧波波與一次諧波波的比值作為為系統(tǒng)的輸出出，克服了現(xiàn)現(xiàn)有儀器受光光路干擾較大大的缺點(diǎn)，并并且

3、比以往采采用LED作作為光源的差差分檢測(cè)方式式具有更高的的靈敏度。l基本原理當(dāng)一束光強(qiáng)為的的輸入平行光光通過(guò)圖1所所示的氣室時(shí)時(shí)，如果光源源光譜覆蓋11個(gè)或多個(gè)氣氣體吸收線，光光通過(guò)氣體時(shí)時(shí)發(fā)生衰減，根根據(jù)BeerrLambeert定律，輸輸出光強(qiáng)與輸輸入光強(qiáng)和氣氣體濃度之間間的關(guān)系為 （11）式中為氣體吸收收系數(shù)，即氣氣體在一定頻頻率處的吸收收線型；L為為吸收路徑的的長(zhǎng)度；c為為氣體濃度。為了產(chǎn)生諧波信信號(hào)，在激光光器的直流工工作電流上疊疊加1個(gè)角頻頻率為的正弦弦信號(hào)。由于于可調(diào)諧激光光器的輸出頻頻率是注入電電流的函數(shù)，所所以注入電流流經(jīng)正弦調(diào)制制之后，激光光器的輸出頻頻率和輸出光光強(qiáng)也將受

4、到到相應(yīng)的調(diào)制制變成了隨頻頻率礦而變化化的時(shí)變參數(shù)數(shù) （22） （33）式中：為光源未未經(jīng)調(diào)制時(shí)的的中心頻率；為頻率調(diào)制制幅度；為光光強(qiáng)調(diào)制系數(shù)數(shù)，,為電流調(diào)制制頻率。將式(2)、式式(3)代入入式(1)，在在近紅外波段段，氣體的吸吸收數(shù)很小，滿滿足，光強(qiáng)的的調(diào)制幅度也也很小，即，1;這樣就可以運(yùn)用近似公式，并且可以忽略高階小項(xiàng)，則可為 （44）氣體壓力接近11013225kPa時(shí)時(shí)，可以用LLorenzz曲線描分子子的吸收譜線線型 （5）式中：為純氣體體在吸收線中中心的吸收系系數(shù)；和分別為對(duì)應(yīng)應(yīng)吸收峰的中中心頻率和吸吸收線半寬。當(dāng)光源輸出中心心波長(zhǎng)被精確確地鎖定在氣氣體吸收峰上上時(shí)，=，式(

5、4)變?yōu)?（6）定義，將式(66)展開(kāi)為傅傅里葉級(jí)數(shù)序序列，它的一一次諧波（ff）和二次諧諧波(2f)的系數(shù)分別別為 （7） （8）式中： （99）可知，二次諧波波和一次諧波波的比值不含含有項(xiàng)，這樣樣用其作為系系統(tǒng)的輸出可可以消除光強(qiáng)強(qiáng)波動(dòng)等因素素帶來(lái)的干擾擾 （110）可見(jiàn)，檢測(cè)二次次諧波可以獲獲得氣體濃度度信息，一次次諧波分量主主要由強(qiáng)度調(diào)調(diào)制引起，幅幅度正比于光光源的平均功功率，和氣體體濃度沒(méi)有關(guān)關(guān)系。用二次次諧波和一次次諧波的比值值作為系統(tǒng)的的輸出，可以以消除光源波波動(dòng)等共模噪噪聲。2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為線性對(duì)稱(chēng)分子子，在紅外光光譜中共表現(xiàn)現(xiàn)出5種基本本簡(jiǎn)正振動(dòng)，吸吸收基頻為礦礦。一蠔，都都不

6、在光纖低低損耗范圍之之內(nèi)，并受到到其他因素如如光源和探測(cè)測(cè)器等條件的的限制，所以以選擇吸收強(qiáng)度不如基頻吸吸收強(qiáng)烈的振振動(dòng)泛頻吸收收峰進(jìn)行檢測(cè)測(cè)。石英光纖纖在1555xnm內(nèi)為為低損耗窗口口，在15525xnmm處由簡(jiǎn)正振振動(dòng)和形成的振動(dòng)動(dòng)泛頻吸收(+)，在1525x附近的能能級(jí)躍遷主要要是CH鍵對(duì)稱(chēng)伸伸縮振動(dòng)模式式，和CH鍵彎曲振振動(dòng)模式組合合頻帶的躍遷遷，轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷遷對(duì)吸收譜線線的作用是次次要的。由于于分子中偶極極矩的轉(zhuǎn)動(dòng)而而使吸收譜具具有精細(xì)結(jié)構(gòu)構(gòu)，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)量子數(shù)的正正負(fù)可以將吸吸收峰分為PP支R支，并并用轉(zhuǎn)動(dòng)量子子數(shù)編號(hào)，因因此P支和RR支的吸收峰峰的個(gè)數(shù)相同同，相對(duì)變化化的規(guī)律也相相同

7、，但是由由于分子的非非簡(jiǎn)諧振動(dòng)而而使它們不對(duì)對(duì)稱(chēng)，所以在在短波長(zhǎng)的PP支和R支的的稠密度不同同。圖2是的的近紅外光譜譜。光源選擇分布反反饋式半導(dǎo)體體激光器，中中心波長(zhǎng)為1152xnnm分布反反饋式半導(dǎo)體體激光器(DDFBLD)是一種內(nèi)含含介質(zhì)光柵結(jié)結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)優(yōu)良選頻特性性的單縱模激激光器，所用用光源采用高高精度的自動(dòng)動(dòng)功率控制(APC)和和自動(dòng)溫度控控制(ATCC)技術(shù)，有有很高的短期期穩(wěn)定度和長(zhǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定度并并具有連續(xù)光光、內(nèi)調(diào)制和和外凋制3種種工作方式。輸輸出光功率1 mW，短短期穩(wěn)定度(15dB.min)和和長(zhǎng)期穩(wěn)定度度(8dBBh。)分別別為00055和0.03. 系統(tǒng)中，氣室是是敏感

8、元件，由由輸入輸出出透鏡組成。光光纖中出射的的光，經(jīng)輸入入透鏡準(zhǔn)直變變?yōu)槠叫泄猓┐┻^(guò)氣室，由由另一透鏡耦耦合到輸出光光纖中。氣室室設(shè)計(jì)的主要要原則是吸收收光程盡可能能大，氣室中中光路的耦合合損耗小，耦耦合狀態(tài)穩(wěn)定定。如圖1(a)所示波波氣室結(jié)構(gòu)，入入射光先要經(jīng)經(jīng)過(guò)透鏡準(zhǔn)直直，然后通過(guò)過(guò)氣體路徑，經(jīng)經(jīng)過(guò)聚焦透鏡鏡，再回到光光纖，因?yàn)楣夤饴凡豢赡芙^絕對(duì)準(zhǔn)直，光光纖的數(shù)值孔孔徑有一定的的范圍，光信信號(hào)在這里要要損失一部分分，并且給系系統(tǒng)帶來(lái)干擾擾。由于涉到到光纖和分立立光學(xué)元件的的耦合問(wèn)題，準(zhǔn)準(zhǔn)直復(fù)雜，溫溫度穩(wěn)定性、抗抗震性能也不不是最佳。所所以選擇小型型漸變爐折射射率透鏡如圖圖1(b)所所示，這

9、種透透鏡器件和光光纖匹配性好好，可選擇帶帶尾纖的變折折射率透鏡，將將傳輸光纖和和透鏡尾纖直直接熔接在一一起，改善了了耦合的穩(wěn)定定性。用于多點(diǎn)氣體檢檢測(cè)的傳感器器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如如圖3所示。一一定數(shù)量的光纖氣體傳傳感器，其中中每個(gè)均和各各自的輸入和和返回光纖連連線構(gòu)成1個(gè)個(gè)傳感通道。可可以通過(guò)使它它們共用1個(gè)個(gè)光源和1個(gè)個(gè)多路探測(cè)器器陣列或使之之共用1個(gè)公公共探測(cè)器和和1個(gè)多路光光源來(lái)復(fù)用，組組成1個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)絡(luò)，或者不使使用多路探測(cè)測(cè)器陣列或多多路光源，而而使用單探測(cè)測(cè)器或單光源源與光纖開(kāi)關(guān)關(guān)或光纖多路路耦合器(11 xN路耦耦合器)。系統(tǒng)中采用的DDFB LDD前后兩面均均發(fā)射激光，利利用后

10、向激光光穿過(guò)參考?xì)鈿馐遥瑓⒖細(xì)鈿馐覂?nèi)裝有已已知濃度的氣氣體，檢測(cè)一一次諧波作為為反饋信號(hào)對(duì)對(duì)激光器進(jìn)行行溫度控制精精確鎖定其波波長(zhǎng)于氣體吸吸收峰上。DDFB LDD前向發(fā)出經(jīng)經(jīng)過(guò)調(diào)制的光光經(jīng)光纖傳輸輸?shù)綔y(cè)量氣室室，單路測(cè)量量的原理框圖圖如圖4所示示，光能與氣氣體發(fā)生相互互作用，然后后將攜帶有用用信息的光信信號(hào)傳輸?shù)絇PIN光探測(cè)測(cè)器轉(zhuǎn)換成電電信號(hào)，送入入鎖相放大器器。檢出2個(gè)個(gè)調(diào)制頻率的的一次和二次次諧波分量。二二次諧波分量量含有濃度信信息，一次諧諧波分量主要要由強(qiáng)度調(diào)制制引起，幅度度大小正比于于光源的平均均功率。用二二次諧波和一一次諧波的比比值作為系統(tǒng)統(tǒng)的輸出，消消除了激光器器光強(qiáng)波動(dòng)等等共

11、模噪聲和和其它同性干干擾的影響，單單值的表征被被測(cè)氣體濃度度。再經(jīng)過(guò)低低噪聲、高靈靈敏度的低通通濾波電路，消消除背景光的的交流漂移和和PIN的暗暗電流，并濾濾除信號(hào)中的的高頻噪聲。經(jīng)經(jīng)過(guò)上述處理理的反映氣體體濃度的信號(hào)號(hào)被送入AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量量后，送入計(jì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處處理、顯示及及打印。3實(shí)驗(yàn)及結(jié)果采用圖3所示的的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)實(shí)驗(yàn)，采用22路傳感器，氣氣室長(zhǎng)度為550cm，選選擇低噪聲、高高靈敏度的PPIN光電二二極管作為光光電探測(cè)器，其其波長(zhǎng)響應(yīng)范范圍為17nm.當(dāng)氣氣室中沒(méi)有待待測(cè)氣體時(shí)，二二次頻輸出信信號(hào)為零，基基頻輸出1個(gè)個(gè)固定不變的的電雎值，此此時(shí)二次諧波波與一次諧波波的比值為

12、零零。采用和的混合氣體體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下下表l所示。經(jīng)多次測(cè)試，其其重復(fù)性、穩(wěn)穩(wěn)定性良好。理理論與實(shí)驗(yàn)表表明，采用DDFBLD調(diào)調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)氣體濃度的的諧波檢測(cè)，靈靈敏度和穩(wěn)定定性明顯提高高，只要更換換光源或相應(yīng)應(yīng)的探測(cè)器，此此系統(tǒng)即可應(yīng)應(yīng)用于其他氣氣體的檢測(cè)，具具有較強(qiáng)的適適應(yīng)性。參考文獻(xiàn)： 1JINNWInvvestiggationn braggggrattniberroptiicofseensorss tunaablelaaserinng byuusing sourccesAppplOptt，19988(37)：25172525W GPPerforrmanceelimittoffibber-2JINMM，DEMOOKANS，SSTEWARRTsenssorsfrromcohherenttbaeksseatteerIEEEopticcgas PProcOOptoellectr卜卜1998，1145(3)：1861893葉險(xiǎn)峰，湯湯偉中CHH。氣體光纖纖傳感器的研研究半導(dǎo)體體光電，20000，211(6)：2218220distanccesimuultaneeousdeetec4YAMAAMOTOKKTAIHH，UCHIIDAMLLongtiionofmmethann