（通信与信息系统专业论文）近红外光纤甲烷气体检测系统方案设计与实现.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f n e a r - i n f r a r e d f i b e ro p t i cm e t h a n e g a sd e t e c t i o ns y s t e m c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l t y ： d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo f o r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： s h ij i a n z h o n g p r o f c a oj i a n i a n m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m m a r c h ，2 0 1 0 m a r c h ，2 0 1 0 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：乃短中 日期：2 口，p 年孑月，厂日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数 据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结 合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位 为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文、( 班授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：力聿甲 日期：2o l o 年7 月心日 导师( 签字) ：嗜豪午 沙，口年月f 妇 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 摘要 甲烷气体检测是工业生产、环境监测和科学研究领域中的一个重要研究 课题。甲烷是一种易燃易爆气体，对甲烷气体进行快速、实时的监测对工矿 安全生产及环境保护有着重要的意义。随着光纤通信技术的发展，凭借传统 传感器不可比拟的优势，使得光纤气体传感器得到越来越广泛的关注。 可调谐半导体激光吸收光谱( t d l a s ) $ 1 孝波检测技术是在激光器与调制技 术相结合的基础上发展起来的一种新型高灵敏检测方法，在气体检测领域得 到了广泛的应用。与常规的检测方法相比，具有选择性好、灵敏度高、响应 速度快、抗噪声干扰、非接触测量、无需对气体预处理等优点。 本文在t d l a s 的基础上，对近红外波段的甲烷气体吸收谱线进行检测， 采用三角波扫描和正弦波调制相结合的技术调制垂直腔面发射激光器，对经 气体吸收后的一次、二次谐波信号成分进行数学模型分析，提出了两种解决 方案。文中对光路和电路进行了详细的分析和讨论，设计了信号发生电路、 激光器驱动电路、5 x 1 0 c m 光程吸收气室、微弱信号检测处理电路、a d 和 d a 转换及其调理电路。利用平衡调制解调器a d 6 3 0 作为锁相放大器，提取 一次、二次谐波信号幅度。以c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为核心，进行数据处理与浓 度输出显示，实现对0 5 0 0 0 p p m 不同浓度甲烷气体的测量。文章最后进行了 系统的标定和性能测试，在该检测系统中，一次谐波信号幅度明显优于二次 谐波信号幅度，最终选择一次谐波信号幅度作为系统检测方案，分析了系统 影响因素并提出改进措施。 测试结果表明一次谐波信号幅度与浓度存在着很好的线性关系，验证了 设计方案的可行性。系统工作稳定，调试简便，简化了结构，通过比值处理 技术，消除了光源波动的影响，分辨率和精度可达2 0 p p m 、1 0 0 p p m 。 关键词：甲烷：光谱吸收；一次谐波：微弱信号检测；光纤传感器 a bs t r a c t m e t h a n eg a sd e t e c t i o ni sa ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i ci nf i e l do fi n d u s t r i a l p r o d u c t i o n ，e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n ga n d s c i e n t i f i cr e s e a r c h m e t h a n ei sak i n do f f l a m m a b l ea n de x p l o s i v eg a s t h er a p i da n dr e a l - t i m em o n i t o r i n go fm e t h a n eh a s g r e a ts i g n i f i c a n c ei nc o a l m i n es a f e t ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n w i t ht h e d e v e l o p m e n to fo p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h eo p t i c a lf i b e rg 嬲 s e n s o rh a sa c h i e v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nd u et ot h ei n c o m p a r a b l ea d v a n t a g e o ft r a d i t i o n a ls e n s o r s t u n a b l ed i o d el a s e ra b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y ( t d l a s ) h a r m o n i c sd e t e c t i o n t e c h n o l o g yi s an e wh i g hs e n s i t i v i t yd e t e c t i o ns c h e m ed e v e l o p e df r o mt h e c o m b i n a t i o no fl a s e ra n dm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ng a s d e t e c t i o n c o m p a r e d w i t ho r d i n a r yd e t e c t i o nm e t h o d ，t d l a s h a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fh i 。g hs e l e c t i v i t y , a n ds e n s i t i v i t y , r a p i dr e s p o n s e ，a n t i 。n o i s e ， n o n c o n t a c tm e a s u r e m e n ta n dd o n tn e e dt h ep r e t r e a t m e n to fg a s i nt h i sp a p e r , t d l a st e c h n o l o g yi sa p p l i e dt od e t e c tt h en e a r - i n f r a r e d a b s o r p t i o nl i n e so fm e t h a n eg a s t h ec o m b i n a t i o no ft r i a n g u l a rw a v ea n ds i n e w a v em o d u l a t i o ni su s e dt om o d u l a t et h ev e r t i c a l - c a v i t ys u r f a c e - e m i t t i n gl a s e r s t h em a t l l e m a t i c a lm o d e lf i r s th a r m o n i ca n ds e c o n dh a r m o n i cf r o ma b s o r p t i o n s i g n a li sa n a l y z e d ，t w ok i n d so fs o l u t i o ns c h e m e sa r ep r o p o s e d t h eo p t i c a lp a t h a n dc i r c u i ti sa n a l y z e di nd e t a i l ，t h es i g n a lg e n e r a t o rc i r c u i t ，d r i v ec i r c u i to fl a s e r , 5 xl0 c mo p t i c a lp a t ha b s o r p t i o na i rc h a m b e r , w e a ks i g n a ld e t e c t i o np r o c e s s i n g c i r c u i ta n dt h ea da n dd at r a n s f o r ma n dp r o c e s s i n gc i r c u i ta r ed e s i g n e d t h e b a l a n c e dm o d u l a t o r d e m o d u l a t o ra d 6 3 0i sc h o s e na sal o c k - i na m p l i f i e rt oe x t r a c t t h ea m p l i t u d eo ff i r s th a r m o n i ca n ds e c o n dh a r m o n i c t h ec 8 0 5 1f 0 2 0m c ui s c h o s e na st h ec o r eo fd a t ap r o c e s s i n ga n dc o n c e n t r a t i o nd i s p l a y m e t h a n eg a s d e t e c t i o n 、撕t hc o n c e n t r a t i o nv a r i e df r o m0t o5 0 0 0 p p mi sr e a l i z e d t h es y s t e m 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 c a l i b r a t i o na n dp e r f o r m a n c et e s t i n gi s d e s c r i b e da tt h ee n do fp a p e r i nt h e d e t e c t i o ns y s t e m ，t h ef i r s th a r m o n i cd e t e c t i o ns c h e m ei ss u p e r i o rt ot h es e c o n d h a r m o n i cd e t e c t i o ns c h e m e ，a sar e s u l t ，t h ef i r s th a r m o n i cd e t e c t i o ns c h e m ei s c h o s e na st h ed e t e c t i o ns c h e m eo ft h es y s t e m t h ef a c t o r si n f l u e n c e dg a sd e t e c t i o n i sa n a l y z e da n dt h ei m p r o v e m e n tm e t h o di sp r o p o s e d t 1 1 et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ea m p l i t u d eo ff i r s th a r m o n i ch a sg o o dl i n e a r i t y w i t hg a sc o n c e n t r a t i o n ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo fd e s i g n e ds c h e m ei sp r o v e d t h eg 勰 d e t e c t i o ns y s t e mp e r f o r m sw e l l ，a n dt h es y s t e ms t r u c t u r e i s s i m p l i f i e d t i l e i n f l u e n c eo fl a s e rf l u c t u a t i o n si se l i m i n a t e db yr a t i oo fh a r m o n i cs i g n a l 砀e r e s o l u t i o na n da c c u r a c yo ft h es y s t e mc a na c h i e v e2 0 p p m ，lo o p p m k e yw o r d s ：m e t h a n e ；s p e c t r u ma b s o r p t i o n ；f i r s th a r m o n i cs i g n a l ；f a i n ts i g n a l d e t e c t i o n ；o p t i c a lf i b e rs e n s o r 歹 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目录 第l 章绪论1 1 1 引言l 1 2 课题研究的目的和意义1 1 3 光纤气体传感器概述”2 1 3 1 光纤气体传感器的分类3 1 3 2 吸收型光纤气体传感器的发展现状4 1 4 本文的主要工作和结构安排5 第2 章吸收型光纤气体传感器原理与检测技术7 2 1 气体分子选择吸收理论7 2 2 甲烷气体吸收谱线的确定8 2 2 1甲烷气体分子典型吸收线8 2 2 2甲烷气体分子吸收线的选择1 0 2 3l a m b e r t b e e r 定律”1 2 2 4 微弱信号检测技术1 3 2 4 1 滤波技术1 3 2 4 2 相关检测1 4 2 4 3 低噪声放大l6 2 5 谐波检测技术l6 2 5 1窄带光源谐波检测l7 2 5 2 与其他吸收型检测方法的比较2 0 2 6 调制技术2 0 2 7 本章小结2 2 第3 章光纤气体传感器系统设计2 3 吩q f 沁 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 1 检测系统整体框图2 3 3 2 气室结构设计2 4 3 3 激光器的选择与驱动设计”2 5 3 3 1 激光器的选择2 5 3 3 2 激光器的驱动2 7 3 4 信号发生电路”2 8 3 5 光电检测器的选择3 l 3 6 滤波电路3 3 3 6 1 带通滤波电路3 3 3 6 2 低通滤波电路一3 5 3 7 锁相放大电路“3 6 3 8 倍频电路3 7 3 9 硬件抗干扰措施”3 9 3 1 0 本章小结4 0 第4 章数据处理系统及软件设计4 l 4 1 数据处理系统总体结构4 l 4 2c 8 0 51f 0 2 0 数据处理系统4 2 4 2 1 供电电路4 2 4 2 2 晶振及复位电路”4 3 4 2 3a d 转换及其调理电路4 5 4 2 4d a 转换及其调理电路4 8 4 2 5 液晶显示- 4 8 4 3 软件处理流程“4 9 4 4 软件抗干扰措施5 2 4 5 本章小结”5 3 第5 章检测系统实验研究与结果分析5 4 ； 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 1 甲烷气体吸收实验5 4 5 2 检测系统的标定5 6 5 3 系统性能分析6 0 5 3 1 系统灵敏度6 0 5 3 2 系统分辨率6 0 5 3 3 系统稳定性6 l 5 4 系统影响因素分析6 l 5 5 本章小结6 2 结论”6 3 参考文献6 5 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 9 致谢”7 0 附录光纤甲烷气体检测系统样机图”7 l 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 随着科学技术的发展、工业生产的扩大和产品种类的增加，在科研与生 产中，使用气体做原料、燃料的情况增多，因此各种气体的品种和数量也不 断增加。这些气体大多数是易燃易爆的气体，有些是有毒的，危害性很大。 它们在使用和运输过程中，若泄露到空气中就会造成大气与环境污染，严重 的将产生火灾、爆炸以及伤亡事件。因此，研究各种气体的检测方法与气体 传感器是传感技术发展领域的一个重要的课题。 甲烷也被认为是温室效应最主要的气体之一，甲烷吸收红外线能力是二 氧化碳的1 5 - 3 0 倍，占据整个温室贡献量的1 5 。空气中的甲烷浓度每年大 约以1 的速度增长e l ，2 】。甲烷是一种易燃易爆气体，及时、准确地检测甲烷 气体的产生源、泄漏源及浓度，对于工矿安全运行、人身安全和环境保护都 有着十分重要的意义。 近红外光是指波长在7 8 0 - 2 5 2 6 n m 范围内的电磁波，甲烷气体分子的泛 频和组合频吸收峰正好落在光纤o 8 1 7 岬近红外区域的低损耗传输窗口范 围内，且在这一波段的光学器件比较成熟，使得近红外光谱在在线分析领域 得到了广泛的应用。 1 2 课题研究的目的和意义 在我国，随着工业化的迅速推进，环境污染问题也日益严重，其中大型 动力工厂和矿业部门所排放的大量易燃、易爆、有毒、有害气体是环境污染 的重要源头之一，而瓦斯则是这些有害气体中重要的一个组成部分，对其进 行现场快速实时监测、遥测，及时掌握事故及污染发生和发展实况，并进行 有效控制，对于工矿企业安全生产和环境包含具有重要意义。因此，课题的 研究与开发符合实际的需求，实时监测甲烷浓度的光纤传感器检测系统的研 哈尔滨工程大学硕十学位论文 制有着重要的应用价值1 3 】。 本课题融合光纤传感技术、微弱信号检测技术和现代信号处理技术，研 制一种能够实时监测甲烷气体浓度的检测系统。该系统不仅可用于矿井瓦斯 气体的检测，还可用于工业环境中的有毒有害气体检测，为我国工农业安全 生产提供保障，同时也为进一步研制高精度、低成本的国产化的气体传感检 测系统及检测网络提供必要的参考。此外，该检测系统具有很好的通用性， 在系统上稍加修改，就可用于其他气体的检测。 本系统具有较大的科学研究价值，为我国在气体检测领域的研究提供了 参考，同时也有重要的现实意义和应用前景。 1 3 光纤气体传感器概述 光纤传感器是2 0 世纪8 0 年代后期出现的一种新型传感器，是光纤和光 纤通信技术迅速发展的产物。由于具有本质安全，电绝缘性好、便于联网等 一系列优点，光纤传感器受到国内外专家学者的广泛重视。 光纤传感器与其他传感器相比，有许多优点【4 1 ： ( 1 ) 灵敏度高，频带宽，初态范围大，由于传输的信息载体是光，所以 已研制成功的光纤气体传感器分辨率大部分优于其他同类传感器，光信号载 频高，频带宽，光器件已经成熟，能做成强大的动态范围； ( 2 ) 光纤不仅可以作为敏感元件，当用作传输线时，其损耗很低，因此 不必考虑测量仪器和被测物体的相对位置，特别适合于电子式等传感器不太 适合的地方，可以与光纤遥测技术相配合实现远距离测量与控制； ( 3 ) 光纤材料有很好的电绝缘性。光纤气体传感器不受电磁干扰，能避 免产生火花，适用于油罐气体浓度检测。它耐高压，耐腐蚀，在恶劣环境下 工作可靠； ( 4 ) 光纤式无源器件，对被测对象不产生影响。其自身独立性好，可适 应各种使用环境； ( 5 ) 光纤气体传感器组成的光学系统便于与中心计算机连接，易于组网， 2 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 采用光纤复用技术，能够实现多点检测； ( 6 ) 光纤气体传感器体积小，重量轻，安装简单，造价低。 1 3 1 光纤气体传感器的分类 光纤气体传感器种类根据不同的检测方法有多种形式，表1 1 为光纤气 体传感器主要几种类型及其性能比较。 表1 1各种光纤气体传感器及其性能比较 传感器类型优点缺点 干涉型灵敏度高稳定性差，难以实现遥测 反射型灵敏度较高线性范围窄，长期稳定性差，需加工 表面污染问题严重，其中多聚物包层 光纤渐逝场灵敏度高，能实现分布 光纤对相对温度、湿度、渐逝场的强 气体传感器式传感及交叉分辨 度依赖性大：需加工 近斩波器的使用使得稳定性不高，滤波 差分吸收检测灵敏度高 红 片的使用使得有用光功率不足 外 需要光源可调谐范围较宽，频率稳定 吸谐波检测灵敏度高，稳定性较好 度高，光源驱动较复杂 收 传感探头带电，难以实现遥测，且需 光吸收热效应灵敏度较高 要大功率输出光源 上面介绍了几种主要的光纤气体传感器，实际上有些传感器是多种类型 的组合。对于具体的检测技术和方法来说，它们各自都存在着相应的缺点， 这些缺点不同程度的影响着光纤气体传感器的灵敏度和稳定性。 光谱吸收型光纤传感器是基于激光光谱分析技术设计的，结合现代光纤 通信技术，将以前主要用于实验室气体分析的激光光谱分析技术应用在工业 现场。同时利用光纤技术的特点，使光谱吸收型光纤传感器在探测灵敏度、 远程遥测、多点测量方面发挥更大的优势【5 】。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 与其他的光纤气体传感器相比，光谱吸收型光纤气体传感器有灵敏度高， 响应速度快，抗干扰能力强，传感探头简单可靠，易于组网等特点，它是目 前最有发展前途和接近实用化的一种光纤气体传感器。 1 3 2吸收型光纤气体传感器的发展现状 光纤气体传感器是2 0 世纪8 0 年代后期出现的一种新型的传感器，经过 3 0 年的发展，它已应用到这会生活的方方面面。目前光纤甲烷气体传感器的 研究主要集中在光谱吸收型，吸收型气体传感技术在诸多检测方法中是最有 效并且应用最广泛的方法。差分吸收检测和谐波检测是吸收型光纤气体传感 器的两种基本方法【6 】。 差分检测法需要产生两种波长的光信号五、五，分别对应吸收峰和吸收 谷。采用空间双光束差分系统，可以有效地消除光源功率波动的影响，但光 纤传输损耗变化等因素引起的误差及分束后两路光的分光比的不确定度带来 的影响无法消除，另外，由于宽带光源在某个特定波长的光功率很小，光分 成两束后，检测到的工作波长和参考波长光功率就更小了，再加上气体的近 红外吸收相对较弱，显然降低了测量系统的灵敏度，为了达到一定的检测灵 敏度，必须增加气室长度或选用w h i t e ( 怀特) 腔，使得加工、调整困难，长期 稳定性较差，易受环境因素干扰，安装使用不便等缺陷。采用时间差分系统， 由方波调制l e d 光源，由于共用一个光源，完全消除了电流抖动造成的误差， 采用单光路使得双光路系统中双光路差异引起的误差完全消除，单探测器消 除了双光电器件热零点漂移的误差。但由于使用l e d 光源，输出信号还是比 较弱，难以实现高分辨率、高灵敏度的检测【6 7 】。 差分吸收法虽然可以有效的消除光路的干扰，但系统的固有噪声不能消 除，而谐波检测法不仅可以消除光路干扰，还可以消除系统噪声，广泛用于 微弱信号检测系统中【6 】。t d l a s ( t u n a b l ed i o d el a s e r a b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y ) 是可调谐半导体激光吸收光谱技术的简称。目前t d l a s 技术已经在气体检测 领域中得到了广泛的应用。通过分析光通过气体时的选择吸收来测得气体浓 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 度。但与传统红外光谱技术不同的是，它采用的光源是可调谐二极管激光光 源。可调谐二极管激光的线宽远小于传统红外光源的线宽，单模特性优秀， 通过对电流的周期性调制，可以使激光器发射波长覆盖选定的被测气体吸收 谱线。由于窄带激光器的线宽远小于被测气体单吸收谱线的宽度，从而避免 了气体交叉干扰的问题，因此，t d l a s 是一种高分辨率的吸收光谱学检测技 术【8 9 1 0 1 。 国外发达国家对吸收式光纤气体传感技术的研究比较早。最早应用光谱 吸收式光纤传感技术进行气体浓度测试研究的是日本t 0 h o k u 大学的h i n a b a 和k c h a n 等人。1 9 7 9 年，他们在光纤透射窗口波段范围内，作了一些气体 传感的基本研究，提出利用长距离光纤进行大气污染检测【l l 】，随后他们还对 其一些气体，如：c h 4 、c 0 2 、c 2 h 4 、c 2 h 2 等做了一系列研究。此外j pd a k i n 和c a w a d e 1 2 1 、k y a m a m o t o u 3 】、vw e l d o n 、s t r a t h c l y d e 大学的qs t e w a r t 、 m i h a z a v r s n i k 等人也进行了一系列相关研究，形成了比较有效的方法，但由 于成本和工艺等问题，形成光纤气体测量仪器方面的报道很少。 国内吸收型光纤气体传感方面的研究起步较晚，考虑到激光器的成本因 素，主要是以l e d 作为光源。西安光机所郭栓运等、上海交通大学应用物理 系【1 4 1 、山东矿业学院的曹茂永【1 5 1 、大连理工大学刘文琦等1 1 6 1 、浙江大学叶险 峰博士【1 7 】、燕山大学王玉田教授和他的研究小组等做了吸收型光纤气体传感 器方面的研究，但都还处在实验室阶段，离实际应用还有很大的距离。因此， 对其进行进一步的研究，使其走向实用化，具有十分重要的意义。 1 4 本文的主要工作和结构安排 光纤甲烷气体检测系统技术指标要求： 测量范围：0 - 0 5 v 0 l ； 精度： 5 f s ： 响应时间： 3 0 s ； 电源：( 2 4 0 5 ) v d c ： 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 模拟输出：输出范围( + l + 5 ) v d c ； l c d 显示：0 - 5 0 0 0 ( 气体浓度，单位p p m ) ； 工作温度：2 0 - - + 5 0 。 本课题选择基于t d l a s 的光谱吸收式谐波检测技术检测甲烷气体，采用 三角波扫描和正弦波调制相结合的技术调制激光器，结合微弱信号检测、光 谱吸收理论和谐波检测技术，从分子光谱吸收的原理出发，分析光信号经甲 烷气体吸收过程的机理，给出气体浓度变化数学模型，设计一种基于一次谐 波设计的光纤甲烷气体传感器的实施方案，实现对0 - 5 0 0 0 p p m 浓度的甲烷气 体进行测量，并验证了该方案的可行性。 该论文主要分为以下章节： 第一章：对本课题研究的目的和内容进行了详细地阐述。概述了光纤气 体传感器的分类以及国内外研究情况。 第二章：论述了气体分子吸收理论、光谱吸收式气体检测原理、微弱信 号检测及谐波检测技术，分析了经气体吸收后信号的数学模型，提出了检测 系统的设计方案。 第三章：介绍了该检测系统的结构组成，包括：信号发生电路、光源驱 动电路、吸收气室的设计、前置放大器的设计、移相电路、滤波电路设计、 锁相放大电路、液晶显示电路等，最后简述了硬件抗干扰技术及采取的措施。 第四章：数据处理系统及其软件设计，主要是以c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为核 心的数据采集与处理系统，包括软件设计思想和处理流程，以及外围电路设 计，最后介绍了软件抗干扰措施。 第五章：系统实验、测试与分析。通过实验对理论分析进行验证，并对 影响性能指标的因素进行分析。 最后全文进行了总结，并对未来的研究进行了展望。 6 堕垄! 堡工矍盔堂婴堂垡堡銮 第2 章吸收型光纤气体传感器原理与检测技术 光谱吸收型光纤气体传感器建立在气体分子的选择吸收理论之上，气体 分子只能吸收那些能量正好处于她的某两个能级之差的光子，因此各种气体 分子对不同的波长( 或波数) 的红外辐射吸收程度各不相同，利用气体在石 英光纤透射窗口内的吸收峰，测量由于气体吸收产生的光强衰减，反映气体 的浓度。根据h i t r a n 数据库，多种气体在石英光纤的透射窗口都有特定的 泛频和组合频吸收峰。用这种方法可以对大多数的气体浓度进行较高精度的 测量。 2 1气体分子选择吸收理论 根据量子力学理论【1 8 】，绕核运行的电子的能量分布是不连续的，电子在 其轨道上运动，不会发出电磁波，只有当电子从能量为巨的一个量子轨道跳 到能量为e 的另一个量子轨道时，才会发出电磁波，此过程叫做量子跃迁。 当电子由高能级跃迁到低能级时，释放一定频率的光子，表现为发射光谱的 性质；反之，当电子吸收一定频率的光子，由低能级跃迁到高能级时，则表 现出吸收光谱的性质【1 9 1 。发射或吸收光的频率v 满足玻尔的频率条件： h v = 巨一岛 ( 2 1 ) 即只有当光量子的能量恰好等于原子能态互与能态易之差时，这个光量 子才会被这个原子吸收。对于外来的光子，其能量要等于两个能级的能量间 隔，至于方向、相位等方面均无任何限制。 由于气体分子结构具有互异性，不同气体的吸收谱因其分子结构的不同 而互不相同，检测某种特定波长光的吸收情况，可进行气体的定性和定量分 析。 对于光谱吸收型气体传感器，根据所使用的工作光源所处于不同的波段 可以分为红外光谱吸收i r ( i n f r a r e da b s o r p t i o n ) 和紫外光谱吸收u v ( u l t r a v i o l e t a b s o r p t i o n ) 。各个不同的工作波段有其自身的特点，在红外波段光波与物质 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的相互作用包括分子的转动、振动，红外波段又可进一步细分为近红外、中 红外和远红外。其中中红外波段主要对应分子振动的基频吸收，是传统的实 验室光谱分析所使用的波段。近红外波段由于对应分子的倍频与合频吸收， 吸收峰强度较小，光谱结构复杂( 所谓指纹区) ，长期以来一直被忽略，然而石 英光纤的透射窗口( 0 8um 1 7um ) 在近红外区，并且近红外激光光源也比较 容易获得，所以近年来近红外光谱吸收技术在气体光纤传感器技术中得到了 应用。紫外及可见光谱对应分子中电子的能级，利用紫外及可见分光光度计 进行物质成分分析也是很传统的实验室技术，但是传统的紫外光谱技术只适 用于具有电子离域的所谓共轭物质，近年来随着差分吸收光谱技术的发展， 大部分的大气污染物已经可以用紫外光谱技术探测【2 0 1 。 考虑到和石英光纤的低损窗口相一致，在光纤气体检测系统中一般只涉 及红外光波段，即分子的红外光谱。 2 2甲烷气体吸收谱线的确定 2 2 1甲烷气体分子典型吸收线 在理想化的描述中，每一条光谱线对应一个确定的频率，其光谱轮廓只 用一条没有宽度的几何线来表示。实际上，对任何一条谱线进行测量，它们 总有一定的频率宽度，而且各条光谱线的宽度也不一样，形成了每条光谱线 所特有的形状。 图2 1 是气体分子的典型吸收线型。 烈、 一，v o + ， v 图2 1气体分子的典型吸收线型 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 在吸收光谱学中，用谱线的线型函数缈( y ) 来描述这条曲线。 妒( y ) ：黑 ( 2 2 ) 口l j 该线型函数烈l ，) 应该满足归一化条件，即： i 似y ) 咖= 1 ( 2 3 ) 以y 。表示吸收光谱线型函数取得极大值的那个频率，称为该吸收线的中 心频率；通常以v 来表示谱线的宽度，它的定义是：当口( y ) 从它的极大值 a ( v o ) 下降至u a ( v 。) 一半时所对应频率间隔，并把7 = a v 2 称作吸收谱线的半 高半宽。 气体分子的吸收线宽主要取决于三个因素【2 1 捌：一是自然展宽，线型函 数为烈y ) = 二1 百，它是洛仑兹型分布函数；二是气体分子的运动引 刀，+ 【i ，一v o ) 起的多普勒展宽，其线型函数为烈 ，) = 三( 堕弓u ：e x p 【一等( v - v o ) ：】；三是分 y 万 ， 子的碰撞展宽，它也是洛仑兹型分布函数。 气体分子的自然线宽取决于激发态分子的跃迁时间和自然寿命。这个宽 度非常小，可以忽略其影响。 洛仑兹线型是由于粒子之间的互相碰撞引起的，不仅依赖于压强p ，还 依赖于分子的碰撞截面，而高斯线型只依赖于温度t 。在低压情况条件下 ( p 3 附近的峰峰值比i f 2 附 3 0 弦波电 压幅值为 ( 。：二矗线与嚣嚣答( a ) 一次谐波幅度峰峰值s t ? 与m 三二与二深度辨的关系曲线 图3 8 s l 婀、。2 蚺 s与m 曲 0 2 删略。 线 哈尔滨t 稗大学硕+ 学位论文 等特点。 该检测系统中采用的是w t d 公司的p f t m 9 1 2 高灵敏度i n g a a s 平面结 构p i n 探测器，表3 2 为p i n 的技术参数。 表3 2 光电探测器技术指标( t = 2 5 c ) 参数数值 工作波长( n m ) l l o 啦! 6 5 0 带宽( m h z ，- 3 d b ) 1 3 转换灵敏度( a w ) 0 9 3 。 固定跨阻抗( k ) 1 0 5 0 动态范围( d b ) 2 5 工作温度( ) 一2 0 计7 0 暗电流( n a )5 1 o 戴 憾 蟠0 4 喊 釉2 o 0 【 i 一一一上 - 0 91 o1 i1 21 31 41 51 61 71 8 x ( t a n ) 图3 9p i n 光电探测器光谱响应曲线 图3 9 为该探测器在0 9 - , 1 8 5 p m 范围的光谱响应曲线，在1 2 5 - 1 5 p m 附 近的最大响应度为0 9 3 肌r ，在1 6 5 3 7 2 n m 处的响应度约为0 8 1 a w ，光电 探测器的响应时间很快，一般为1 0 气1 0 8 s 量级。 光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号 往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先 进行预处理，将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求 的电压幅度，以满足锁相放大器的输入要求。 3 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 6 滤波电路 在光谱吸收式低浓度甲烷气体检测方案中，有用信号很微弱，且淹没在 噪声中，为了最大限度的降低噪声和干扰，提高检测系统的信噪比，合理的 设计滤波电路是一种有效的手段。 滤波电路分为无源和有源两种。 无源滤波器电路主要有无源元件r 、l 和c 组成。一般无源滤波指通过 电感和电容的匹配对某次谐波并联低阻( 调谐滤波) 状态，给某次谐波电流构 成一个低阻态通路。这样谐波电流就不会流入系统。无源滤波的优点为成本 低，运行稳定，技术相对成熟，容量大。缺点为谐波滤除率一般只有8 0 ， 对基波的无功补偿也是一定的。 有源滤波器电路由集成运放和r 、c 组成，具有不用电感、体积小、重 量轻等优点。有源滤波除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率。其 优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到9 5 以上，补偿无功细致。缺点为价 格高，容量小。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小， 构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有 限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。 本检测方案中涉及到的有用信号频率有1 0 0 h z 、2 0 k h z 、4 0 k h z ，因此在 设计滤波器时，要考虑到这些频率。 3 6 1 带通滤波电路 尽量压缩信号带宽是滤除噪声的有效手段，由于在本方案设计中，光电 探测器的输出信号中有用信号与噪声混合在一起，必须要先进行预处理，再 送入锁相放大器。锁相提取的是一次谐波信号和二次谐波信号，即2 0 k h z 和 4 0 k h z ，因此在锁相之前设计一个带通滤波器，使2 0 k h z 和4 0 k h z 的频率成 分落在这个通带内，可以有效地提高信噪比。 带通滤波器分为无源和有源两种，r c 无源b p f 和有源b p f 相比的缺点 是【4 i 】： 3 3 图3 1 0 二阶压控电压源b p f 电路图 该带通网络的幅频特性曲线图如下： 加d e i 呐- 咄i j h o d z d - - - - - - - - 一 一v 岫一一 i 。 x 阿i i ni r 面一t i nl ， f i 柚i 眦f i z l 。 ； ii li ii 1 0 0l d d 一 - l l - v 匝画圈国囵一8 m i s t j + fi n 声。帕o u tf 。： - i 2 0 1 5 3k l - i z1 1 9 4 7d b 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 6 2 低通滤波电路 低通滤波电路用在锁相放大器之后，用于检测反映气体浓度的一次谐波 信号的幅度。为了改善滤波特性，即在通频带内的特性曲线更加平缓，在通 频带外的特性曲线衰减更陡峭，只有增加滤波网络的阶数。如果由低噪声放 大器构成高阶滤波器，在一定程度上会增加系统噪声，且电路的结构与调节 变得复杂。因此可以采用集成的专业高阶的滤波器。 有源r c 滤波电路的实际滤波特性与理想滤波特性相比差距比较大，同 时由于有较大的电容和精确的r c 时间常数，不易集成。随着m o s 工艺的发 展，由m o s 开关电容和运放组成的开关电容滤波器( s c f ) ，有着高精度和 高稳定性，滤波特性接近理想特性等突出优点，在模拟信号的处理方面有着 广泛的应用。 m a x 2 9 5 是m a x i m 公司生产的8 阶巴特沃斯( b u t t c r w o r t h ) 开