工程光学论文-基于谐波检测技术的乙炔气体浓度测量系统

1、PAGE PAGE 9基于谐波检测技技术的乙炔气气体浓度测量量系统(工程光学:郝郝蕴绮)王翔宇摘要：基于乙炔炔气体近红外外吸收的机理理，研究了一一种以DFBB LD为光光源的高灵敏敏度光谱吸收收型乙炔气体体多点检测系系统。采用光光源调制实现现气体浓度的的谐波检测，利利用二次谐波波与一次谐波波的比值来消消除光路干扰扰。采用空分分复用技术实实现多点气体体浓度的检测测，使多个传传感器共用一一个光源，降降低了成本。建建立了谐波检检测的数学模模型，给出了了乙炔气体的的测量结果。测测试结果表明明：系统灵敏敏度和稳定性性高，重复性性好，适应性性强。关键词：气体传传感器；乙炔炔；多点检测测；谐波检测测引言光纤

2、气体传感器器灵敏度高，动动态范围大，防防电磁干扰，防防燃防爆，不不易中毒，适适合于长距离离在线测量。但但由于光源造造价一般很高高，限制了它它的大规模使使用。乙炔()是变压器器油中的故障障特征气体，实实时、准确地地监测气体浓浓度对保障生生产、生活的的安全十分重重要。基于空空分复用技术术，将气体传传感器组成网网络，实现对对气体浓度的的多点测量，使使多个传感器器共用一个光光源，降低了了成本。采用用分布反馈式式半导体激光光器(DFBBLD)作为为光源，通过过对光源的调调制实现对气气体的二次谐谐波检测，通通过二次谐波波与一次谐波波的比值作为为系统的输出出，克服了现现有仪器受光光路干扰较大大的缺点，并并且

3、比以往采采用LED作作为光源的差差分检测方式式具有更高的的灵敏度。l基本原理当一束光强为的的输入平行光光通过图1所所示的气室时时，如果光源源光谱覆盖11个或多个气气体吸收线，光光通过气体时时发生衰减，根根据BeerrLambeert定律，输输出光强与输输入光强和气气体浓度之间间的关系为 （11）式中为气体吸收收系数，即气气体在一定频频率处的吸收收线型；L为为吸收路径的的长度；c为为气体浓度。为了产生谐波信信号，在激光光器的直流工工作电流上叠叠加1个角频频率为的正弦弦信号。由于于可调谐激光光器的输出频频率是注入电电流的函数，所所以注入电流流经正弦调制制之后，激光光器的输出频频率和输出光光强也将受

4、到到相应的调制制变成了随频频率矿而变化化的时变参数数 （22） （33）式中：为光源未未经调制时的的中心频率；为频率调制制幅度；为光光强调制系数数，,为电流调制制频率。将式(2)、式式(3)代入入式(1)，在在近红外波段段，气体的吸吸收数很小，满满足，光强的的调制幅度也也很小，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 （44）气体压力接近11013225kPa时时，可以用LLorenzz曲线描分子子的吸收谱线线型 （5）式中：为纯气体体在吸收线中中心的吸收系系数；和分别为对应应吸收峰的中中心频率和吸吸收线半宽。当光源输出中心心波长被精确确地锁定在气气体吸收峰上上时，=，式(

5、4)变为 （6）定义，将式(66)展开为傅傅里叶级数序序列，它的一一次谐波（ff）和二次谐谐波(2f)的系数分别别为 （7） （8）式中： （99）可知，二次谐波波和一次谐波波的比值不含含有项，这样样用其作为系系统的输出可可以消除光强强波动等因素素带来的干扰扰 （110）可见，检测二次次谐波可以获获得气体浓度度信息，一次次谐波分量主主要由强度调调制引起，幅幅度正比于光光源的平均功功率，和气体体浓度没有关关系。用二次次谐波和一次次谐波的比值值作为系统的的输出，可以以消除光源波波动等共模噪噪声。2系统的设计为线性对称分子子，在红外光光谱中共表现现出5种基本本简正振动，吸吸收基频为矿矿。一蚝，都都不

6、在光纤低低损耗范围之之内，并受到到其他因素如如光源和探测测器等条件的的限制，所以以选择吸收强度不如基频吸吸收强烈的振振动泛频吸收收峰进行检测测。石英光纤纤在1555xnm内为为低损耗窗口口，在15525xnmm处由简正振振动和形成的振动动泛频吸收(+)，在1525x附近的能能级跃迁主要要是CH键对称伸伸缩振动模式式，和CH键弯曲振振动模式组合合频带的跃迁迁，转动跃迁迁对吸收谱线线的作用是次次要的。由于于分子中偶极极矩的转动而而使吸收谱具具有精细结构构，根据转动动量子数的正正负可以将吸吸收峰分为PP支R支，并并用转动量子子数编号，因因此P支和RR支的吸收峰峰的个数相同同，相对变化化的规律也相相同

7、，但是由由于分子的非非简谐振动而而使它们不对对称，所以在在短波长的PP支和R支的的稠密度不同同。图2是的的近红外光谱谱。光源选择分布反反馈式半导体体激光器，中中心波长为1152xnnm分布反反馈式半导体体激光器(DDFBLD)是一种内含含介质光栅结结构，具有优优良选频特性性的单纵模激激光器，所用用光源采用高高精度的自动动功率控制(APC)和和自动温度控控制(ATCC)技术，有有很高的短期期稳定度和长长期稳定度并并具有连续光光、内调制和和外凋制3种种工作方式。输输出光功率1 mW，短短期稳定度(15dB.min)和和长期稳定度度(8dBBh。)分别别为00055和0.03. 系统中，气室是是敏感

8、元件，由由输入输出出透镜组成。光光纤中出射的的光，经输入入透镜准直变变为平行光，穿穿过气室，由由另一透镜耦耦合到输出光光纤中。气室室设计的主要要原则是吸收收光程尽可能能大，气室中中光路的耦合合损耗小，耦耦合状态稳定定。如图1(a)所示波波气室结构，入入射光先要经经过透镜准直直，然后通过过气体路径，经经过聚焦透镜镜，再回到光光纤，因为光光路不可能绝绝对准直，光光纤的数值孔孔径有一定的的范围，光信信号在这里要要损失一部分分，并且给系系统带来干扰扰。由于涉到到光纤和分立立光学元件的的耦合问题，准准直复杂，温温度稳定性、抗抗震性能也不不是最佳。所所以选择小型型渐变炉折射射率透镜如图图1(b)所所示，这

9、种透透镜器件和光光纤匹配性好好，可选择带带尾纤的变折折射率透镜，将将传输光纤和和透镜尾纤直直接熔接在一一起，改善了了耦合的稳定定性。用于多点气体检检测的传感器器网络系统如如图3所示。一一定数量的光纤气体传传感器，其中中每个均和各各自的输入和和返回光纤连连线构成1个个传感通道。可可以通过使它它们共用1个个光源和1个个多路探测器器阵列或使之之共用1个公公共探测器和和1个多路光光源来复用，组组成1个结构构简单的网络络，或者不使使用多路探测测器阵列或多多路光源，而而使用单探测测器或单光源源与光纤开关关或光纤多路路耦合器(11 xN路耦耦合器)。系统中采用的DDFB LDD前后两面均均发射激光，利利用后

10、向激光光穿过参考气气室，参考气气室内装有已已知浓度的气气体，检测一一次谐波作为为反馈信号对对激光器进行行温度控制精精确锁定其波波长于气体吸吸收峰上。DDFB LDD前向发出经经过调制的光光经光纤传输输到测量气室室，单路测量量的原理框图图如图4所示示，光能与气气体发生相互互作用，然后后将携带有用用信息的光信信号传输到PPIN光探测测器转换成电电信号，送入入锁相放大器器。检出2个个调制频率的的一次和二次次谐波分量。二二次谐波分量量含有浓度信信息，一次谐谐波分量主要要由强度调制制引起，幅度度大小正比于于光源的平均均功率。用二二次谐波和一一次谐波的比比值作为系统统的输出，消消除了激光器器光强波动等等共

11、模噪声和和其它同性干干扰的影响，单单值的表征被被测气体浓度度。再经过低低噪声、高灵灵敏度的低通通滤波电路，消消除背景光的的交流漂移和和PIN的暗暗电流，并滤滤除信号中的的高频噪声。经经过上述处理理的反映气体体浓度的信号号被送入AD转换器，转转换成数字量量后，送入计计算机进行处处理、显示及及打印。3实验及结果采用图3所示的的系统进行实实验，采用22路传感器，气气室长度为550cm，选选择低噪声、高高灵敏度的PPIN光电二二极管作为光光电探测器，其其波长响应范范围为17nm.当气气室中没有待待测气体时，二二次频输出信信号为零，基基频输出1个个固定不变的的电雎值，此此时二次谐波波与一次谐波波的比值为

12、零零。采用和的混合气体体进行实验，实实验结果如下下表l所示。经多次测试，其其重复性、稳稳定性良好。理理论与实验表表明，采用DDFBLD调调制技术实现现气体浓度的的谐波检测，灵灵敏度和稳定定性明显提高高，只要更换换光源或相应应的探测器，此此系统即可应应用于其他气气体的检测，具具有较强的适适应性。参考文献： 1JINNWInvvestiggationn braggggrattniberroptiicofseensorss tunaablelaaserinng byuusing sourccesAppplOptt，19988(37)：25172525W GPPerforrmanceelimittoffibber-2JINMM，DEMOOKANS，SSTEWARRTsenssorsfrromcohherenttbaeksseatteerIEEEopticcgas PProcOOptoellectr卜卜1998，1145(3)：1861893叶险峰，汤汤伟中CHH。气体光纤纤传感器的研研究半导体体光电，20000，211(6)：2218220distanccesimuultaneeousdeetec4YAMAAMOTOKKTAIHH，UCHIIDAMLLongtiionofmmethann