光谱吸收式甲烷传感器说明书..

产品说明书GJG4型光谱吸收式甲烷传感器编写人员董雷，薛野，韦云波部门研发中试部日期2010-11-8版本号 1目录1GJG4型光谱吸收式甲烷传感器功能说明 (2)2GJG4型光谱吸收式甲烷传感器工作原理 (3)3BGD-16M各功能单元分析 (4)3.1光学/光电子部分 .............................................................................................. 错误！未定义书签。

3.1.1解调器光路.............................................................................................. 错误！未定义书签。

3.1.2梳状滤波器.............................................................................................. 错误！未定义书签。

3.1.3光纤光栅.................................................................................................. 错误！未定义书签。

3.1.4O波段扫频激光器 .................................................................................. 错误！未定义书签。

3.2电路部分 ............................................................................................................ 错误！未定义书签。

3.2.1光源板...................................................................................................... 错误！未定义书签。

3.2.2光电路板.................................................................................................. 错误！未定义书签。

3.3信号处理模块 .................................................................................................... 错误！未定义书签。

4附录 (21)A.参考文献 (21)B.主要光学/光电子器件性能指标 (21)1GJG4型光谱吸收式甲烷传感器功能说明GJC4光纤甲烷传感器是利用甲烷气体的红外光谱吸收特征的光学传感器。

适用于煤矿井下采掘工作面、回风巷道、机电峒室等有瓦斯爆炸气体环境中对瓦斯浓度进行连续测定，可与国内各类煤矿安全监测系统及断电仪、风电瓦斯闭锁装置配套使用。

该仪器能测定、显示瓦斯瞬时浓度，超限报警，可输出与被测瓦斯浓度相对应的频率信号。

整机外观如图1.1所示：图1.1 BGD-16M整机外观主要技术指标如下所示：测量范围：0~4%CH4测量误差：报警及断电点设置：0.00~4.00%CH4 任意设置采样方式：风压加速扩散式响应时间：≤5s传感探头寿命：5年以上工作电流：≤200mA DC 18V工作电压：DC 9-24V2 GJG4型光谱吸收式甲烷传感器工作原理由于不同气体对红外光有着不同的吸收光谱，一些气体的特征光谱吸收强度和气体的浓度有关，利用这一原理可以测量瓦斯气体浓度。

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，反演出气体的浓度。

与传统红外光谱技术不尽相同，GJG4型光谱吸收式甲烷传感器采用的是一种称之为可调谐半导体激光器吸收光谱技术（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy ，TDLAS ）的谐波检测技术。

其原理可以简单描述为：将窄带光源波长对准待测气体某一吸收峰，用慢速调制电流在吸收峰左右附近扫描，并在这一慢速信号上叠加高频正弦信号。

调制后的激光通过待测气体，由于气体的吸收效应，波长调制转换为强度调制，当激光中心波长对准气体吸收峰的中心处，输出光包含有调制频率的二次谐波信号，而且信号幅度正比于气体的浓度。

通过提取二次谐波，来实现气体浓度的测量。

与差分吸收法相比，谐波检测法具有更高的分辨率。

采用锁相放大技术，可以实现二次谐波信号的提取，从而实现气体浓度的高灵敏度测量。

当一束光强为I 0的输入平行光通过气室时，如果光源光谱覆盖一个或多个气体吸收线，光通过气体时将发生衰减。

根据Beer-Lambert 定律，输出光强I (t)与输入光强I 0(t)和气体浓度之间的关系为()()()0v L I v I v e α-= (2-1)上式中α为气体吸收系数，L 为吸收路径的长度。

在近红外波段，气体的吸收系数很小，满足()0.05v L α≤ (2-2)因此公式（2-1）可以简化为()()()()01I v I v v L α- (2-3)当在慢速变化的激光器驱动电流基础上叠加一频率为ω的高频正弦信号后，激光器的激射频率将会发生如下改变：()cos v t v a t ω=+ (2-4) 其中平均频率v 会随慢速调制电流改变。

假设激光器输出功率在整个调制频带内保持恒定，即()()0000I v I v I (2-5)其中ν0为吸收峰中心频率。

由此I(υ)和α(υ)均为含时偶函数，其傅立叶级数可以写为：()()0cos cos n n v a t H v n t αωω∞=+=∑ (2-6) 上式中()n H v 是吸收系数α的第n 阶傅立叶参数。

气体压力接近一个标准大气压时 红外光谱的碰撞加宽起主要作用 因此可以用Lorentz 曲线描述甲烷分子的吸收谱线型 ()()2011v v t v v α=-⎡⎤+⎢⎥∆⎣⎦ (2-7)其中∆υ是吸收谱线的半峰半宽。

令0x ννν-=∆和a m ν=∆ (2-8) 则此时二次谐波系数为：()()()()()1/21/21/21/22221/221/22222144442,4L M x M x M x M x M H x m m m M x ⎡⎤⎡⎤+-++++-⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦=-+ (2-9)其中221M x m =-+。

根据方程（2-9）式，得到其与变量x 的图为：此时假设m 取值为2.2，因为此时H 值最大。

图形峰值对应于最强吸收峰。

3 GJG4型光谱吸收式甲烷传感器各功能单元分析该检测仪利用甲烷气体的光谱吸收原理，通过探测透过传感探头的光强变化检测甲烷气体浓度。

检测仪以C8051为中央处理单元，由光源控制电路、光电转换电路、信号处理电路、数据采集、数字显示及声光报警等单元电路组成，其框图如下：图3.1 传感器原理框图当环境中的甲烷气体以扩散的方式进入传感探头的气室腔时，甲烷气体就会吸收LD光源发出的特定波长的光能量，使得到达光电转换的光信号减弱，该信号经过光电转换、前置放大、信号处理后变换为与甲烷浓度相对应的电压信号，经A/D转换后直接进入C8051，由单片机进行数据处理，计算出甲烷浓度值，实现浓度值的现场显示、输出与浓度值成比例的频率量，进行超浓度时声光报警等。

3.1整机结构图由上述原理可以看出，电路的主要任务是将光源中的二次谐波分量分离出来。

为了实现此目的，需要设计出激光器的驱动信号（即上文中的调制函数f(ω，t)），并将其中的高频部分分离出来，然后提取出其中的二次谐波（GJC4采用的是锁相放大的方法），最后将二次谐波幅度信号采样后送入单片机进行处理。

因此，GJC4的电路主要包括以下几个部分：光源温控电路，光源驱动信号产生电路，PIN信号处理电路和锁相放大电路。

GJC4的电路原理框图如图2.1所示。

光源驱动信号高通滤波图2.1 GJC4电路原理框图2.1 光源温控电路从系统的测温原理可知，GJC4是通过对光源进行频率调制来实现系统功能的，且对光源的扫频范围有严格要求（只能覆盖一个甲烷吸收峰），故系统要求光源输出保持稳定。

由于激光器对温度较为敏感，因此需要一个温控电路使激光器的工作温度保持恒定。

光源温控电路的框图如图2.2所示。

武汉理工光科股份有限公司W U H A N W U T O S T E C H N O L O G Y C O.,L T D图2.2 光源温控电路框图从框图中可以看出，温度传感器输出一个电压信号，与单片机给定的参考电压进行比较。

若两者的电压值不相等，比较放大器则会将误差信号传递给温控芯片。

温控芯片通过内部的PWM（脉宽调制）比较器控制推挽全桥电路的双向电流信号的占空比，从而达到控制TEC （热电制冷器）工作模式和工作时间的目的。

TEC的工作模式（制冷或者制热）由流经TEC 的电流方向决定。

而当传感器输出电压和单片机输出参考电压趋于一致时，比较放大器便不再有输出，光源的工作温度也将趋于稳定。

比较放大器和温控芯片的外围电路如图2.3所示。

图2.3 比较放大器和LTC1923外围电路图中的LTC2053是高精度零漂移仪器放大器，作为比较放大器的输入级，比较放大器的第二级是LTC1923内部的误差放大器。

系统选用的温控芯片是LTC1923，SDSYNC端是外部时钟输入端，此时钟决定CT输出的三角波频率，即决定推挽全桥电路的工作频率。

而EOUT 端则是PWM比较器的输入端，决定了TEC驱动信号的占空比。

推挽全桥电路如图2.4所示。

图2.4 推挽全桥电路全桥电路的四个输入端PDRV A，PDRVB，NDRVB和NDRV A输出的是经脉宽调制后的方波信号，这四个信号的相位关系保证了两个SI9801内各有一个MOS管在工作，从而保证了正反两个方向的电流交替通过TEC，使TEC实现制冷或者制热的功能。

图 2.5显示了PDRV A，PDRVB，NDRVB和NDRV A的相位关系以及这四个信号的占空比和EAOUT电压值的关系。

图2.5 EAOUT，PDRV A，PDRVB，NDRVB和NDRV A的输出波形当GJC4上电之后，程序开始运行，这时可测得温度传感器的输出电压和参考电压信号如图2.6所示。

图2.6 传感器输出电压和参考电压通常情况下，GJC4刚上电时，这两个电压信号是不一致的。

但随着TEC开始工作，这两个电压信号将迅速趋于一致。