基于谐波检测的光谱吸收型光纤瓦斯传感器
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ｔ． ｙ
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提高 了系统的探测灵敏 度 ， 降低 了环境 干扰对 传感 器精度 的影 响， 系统 的最小分辨 率达到 了 ２０ｐ ｍ， 使 ０ ｐ 具备 了煤矿应 用 的基 础 。实验 中得到的二次谐波与一次量 之 比与瓦斯浓 度呈现 了 良 好 的线性关系 ， 相关系数达到 ０ ９８８符合谐波检测理论。 ．９ ，
４ 结 束 语
设计了基于谐波检测 的光谱吸 收型光纤 瓦斯传 感 器 ， 传 该 感 器采用锁相放大器 为核心的微弱 信号 处理 电路 ， 一次 谐波 对 和二次谐波 的实 验数 据进 行数 据 拟合 。该 系 统采 用光 纤 作为 传输通道 ， 可以不受 电磁 干扰 的影响 ， 以实 现各 传感 器 与光 可 电转换和信号处 理 电路 的完全 隔 离 ， 用 于 易燃易 爆 的场 合 。 适 更换不 同中心波长的激光器 ， 即可对 不 同的气体 进行 测量 。系 统采用 多路 复用技术 ， 在仅有一个 光源 的情 况下 可以实 现多路 多点探测 ， 组成光纤 瓦斯探测传感器 网络 。
２１ ０ ２年
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉ ｓｒ ｍｅ ｔ Ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ａ ｄ Ｓ ｎ ｏ ｎｔ ｕ ｎ ｅ ｈ ｉｕ ｎ ｅ ｓ ｒ
２０１ ２ Ｎｏ ．３
第 ３期
基 于谐 波检 测 的 光谱 吸收 型 光纤 瓦 斯传 感器
卢朝 东 ， 熊 欣
（ ． 南 工 程 学 院 计 算 机 科 学 与工 程 系 ， 南 郑 州 １河 河 ４ １９ ；． 南 工 程 学 院 软 件 学 院 ， 南 郑 州 ５ １ １２ 河 河 ４０５ ） ５０ ３
对式 （ ） 行傅 里 叶级 数展 开后 取 出一 次谐 波 和二 次 谐 ２进
收稿 日期 ：０ １—０ ２１ ７—１ 收修改稿 日期 ：０ ２一Ｏ ３ ２１ １—１ ０
的输 出波长精确锁定 在吸收峰上 ， 免 了利用 复杂 的反馈技 术 避
ｌ ０
Ｉｓ ｕ ｎ ｅ ｈ ｉｕ ｎ ｅ ｓ ｒ ｎ ｔ ｍｅ ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ａ ｄ Ｓ ｎ ｏ ｒ Ｔ
来实 现精确 的波长输 出 ；
（） ２ 在信号处 理上 ， 过上 位机 控制 锁相 放大 器 自动切换 通
通道 的方式实现 了用 一 台锁相 放大 器通 过分 时工 作输 出一 次 谐 波和二次谐波 ， 图 １所示 的 系统采 用两 部锁 相 放大 器 ， 而 由 于仪器存在不一 致性导致造成测量 误差 。 光纤 瓦斯探 测传感器 的系统 原理如 图 ２所示 。
择性 吸收遵循朗伯 一比尔 （ ａ ｅ － ｅｒ定律 ， Ｌ ｍｂｒ Ｂ ｅ） ｔ 则有
， Ａ Ｉ （ ） ¨Ｊ （ ）＝ ｏ Ａ ｅ ｃ （） １
据 式（ ） ３ 可以求出气体浓度 ｊ 。
图１ 是一种 可实现 的基 于谐波检 测技 术 的光纤 瓦斯 传感 器 。该 系统采用 Ｄ Ｂ Ｌ Ｆ Ｄ前后两 面均发射 激光 ， 利用后 向激 光穿过参考气 室检测一 次谐 波并 反馈 给激光 器用 于精确 锁定 吸收峰 ， 利用前 向激光经过调制后 与瓦斯气体 发生吸收作 用检 测 出一次谐 波和二次谐 波 ， 并通过一 次谐波和 二次谐波 的 比值 求 出瓦斯浓度 。 ２ 基于谐波检测的光谱吸收光纤瓦斯传感器
式 中：（ ） ， Ａ 为波长 的透射 光强 ； （ 为波长 的入 射光强 ； Ａ） ， Ａ） ０ （
为在 Ａ处 的吸收 系数 ； 为 待测气 体浓度 ； 为光和 气体作 用长 ｃ ｚ
度 即吸收路径 。 在光源上叠加 一适 当频率和幅度 的正弦信 号 ， 光源 的波 对 长进行调制 ， 其在该吸收峰处 ， 使 按照正弦规律变化 。 光强也相应地 受到了调制 ， 甲烷气体在 近红外 区的 吸收系 数 比较小 ， 在低 浓度 的情况下 ， 满足 Ｏ Ａ ｃ 《 １ 式成 （ ） Ｌ ）ｌ ， （ ２ 成立 ，Ａ （ ）＝１（ ） １ ／ｉ ｔ ［ 一 Ａ ｃ］ ０ Ａ （ ＋ｖ ｎ ） １ （ ）１ ｓｗ 波， 并把一次谐 波和二次谐波 的系数相 比 ， 整理后可得 （） ２
中 图分 类号 ：Ｐ １ Ｔ２２
文献 标 识 码 ： Ａ
文章 编 号 ：０ ２—１４ （０ ２ ０ ０ ０ ０ １０ ８ １ ２ １ ）３— ０ ９— ２
Ｓｐ ｃ ｒ ｍ ｅ ｔ ｕ Ａｂｓ ｒ ｔｏ Ｆｉ ｒ Ｏ ｐ ｉ ｅｈａ ｅ Ｓ ｎ ｏ ｓ ｄ ｏ ｏ ｐ ｉｎ ｂｅ ｔｃ Ｍ ｔ ｎ ｅ ｓ ｒ Ｂａ ｅ ｎ
一
从 上式可以看出 ， 、 一 二次谐 波 的幅值 之 比与气 体浓 度成 正比， 光强波动等 因素均可 以消 除。由于光强调制度 竹、 特定波 长处甲烷气体的吸收系数 （ ） Ａ 和光程 ｌ 等都是固定的 ， 以根 所
原理可 以测 量某种 气体 的浓 度 Ｊ 。气体 分子 对红 外光 的选
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图 ２ 光 纤 瓦 斯 探 测 传 感 器 原 理 框 图
图 ３ 实验数据拟合
系统采用 中心波 长为１６ ０ｎ ０ ｍ的分布反馈式 Ｄ Ｂ Ｌ Ｆ Ｄ为光 源， 通过温控 电路和恒流源驱 动电路使 其 中心 波长精 确锁 定于 瓦 斯气 体吸 收峰 上 （ ．５ Ｉ 。光 源调制 采用 振荡器 ， 制频 １６ ， Ｊ ｍ） 调 率 为 １ｋ ｚ 弦波。振荡器 的输 出信号一路加载 到 Ｄ Ｂ Ｌ Ｈ 正 Ｆ Ｄ上 作 为光源调 制信 号 ， 一路 输入 到锁 相放 大器 中， 另 经过 锁 相放 大 器倍 频后 与调 理后的探测器输 出信 号相乘 ， 出一次谐 波信 取
Ｍａ ． ０ ２ ｔ２ １
表 １ 瓦斯气体 吸收实验数据
的降噪措施可 以有 效地提高 系统探测 灵敏度 。 拟合 曲线如图 ３所示。从 图 ３可以看出 ， 由于传感器采用谐
图 １ 谐 波检 测 甲烷 气 体 浓 度 原 理 图
波检测技术 和光纤传感技术 ， 对外 界干扰有 了较好 的抑制 作用 ，
摘要： 针对 目前煤矿 普遍 采用的热催化 瓦斯探测传 感器的检 测灵敏 度低 、 环境 干扰 大的缺陷 ， 设计 了基 于谐 波检 测 的
光谱 吸 收 型 光 纤 瓦斯 传 感 器 。该 传 感 器 采 用 锁 相 放 大 器为 核 心 的微 弱信 号 处 理 电路 ， 过 对 一 次谐 波和 －＆谐 波 的 实验 通 －
０ 引 言
文中根据 目前的几种瓦斯 检测原 理和方 式 ］设 计 了基 ， 于谐 波检测的光谱吸收型光纤 瓦斯传感 器。
１ 气 体 红 外 检 测 原 理
ห้องสมุดไป่ตู้
。 Ｉ — ｋ ２ ｃ＝ 一 ‘ —
‘
－！ －Ｌ
ｆ
ｃｌ ｔ ｏ
【， （） ｊ ３
式 ： 韭 ＝
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气体 的特征光谱 吸收 强度 与该气 体 的浓 度有 关。利 用这
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图 １ 示 的基 于 谐 波 检 测 甲 烷 气 体 传 感 器 可 以 实 现 所 ０ ０ ％的探 测灵 敏度 ， ．２ 但系统结 构复杂 ， 成本 昂贵 ， 而且传 感器
的可操作性较差 。针对这些缺 点 ， 以下方面进行 了改进 ： 对 （） １ 在激光器 波长输 出方 式上 ， 采用 与 Ｄ ＢＬ Ｆ Ｄ匹 配 的温 度空气器 和电流驱动器 ， 通过控制温 度和 电流 的大小使激 光器
数 据进 行数据拟合 ， 实现 了对 瓦斯气体浓度 的实时精确检 测。 实验 结果表 明： 该传感 器能够有 效地 提取 瓦斯浓度 变化信
息 ， 量误差 小， 测 灵敏 度 高 。
关 键 词 ： 纤 瓦斯 探 测传 感 器 ； 弱 信 号 检 测 ； 相 放 大 器 ； 据 处 理 光 微 锁 数
Ｋｅ ｒ ｓ ｆ ｅ ｐ ｉ ｍｅ ｈ ｎ ａ ｅ ｅ ｔ ｎ ｓ ｎ ｏ ；ａｎ ｉｎ ｌｄ ｔ ｃｉｎ；ｏ ｋ ｉ ｍｐ ｉ ｅ ； ａ ａ ｐ ｏ ｅ ｓｎ ｙ ｗｏ ｄ ： ｂ ｒｏ ｔ ｔ ａ ｅ ｇ ｓ ｄ ｔ ｃｉ ｅ ｓ ｒ ｆ ｉ ｔ ｇ ａ ｅ ｅ ｔ ｉ ｃ ｏ ｓ ｏ ｌ ｃ —ｎ ａ ｌ ｒ ｄ ｔ ｒ ｃ ｓ ｉ ｇ ｉ ｆ
提高 了系统的探测灵敏 度 ， 降低 了环境 干扰对 传感 器精度 的影 响， 系统 的最小分辨 率达到 了 ２０ｐ ｍ， 使 ０ ｐ 具备 了煤矿应 用 的基 础 。实验 中得到的二次谐波与一次量 之 比与瓦斯浓 度呈现 了 良 好 的线性关系 ， 相关系数达到 ０ ９８８符合谐波检测理论。 ．９ ，
４ 结 束 语
设计了基于谐波检测 的光谱吸 收型光纤 瓦斯传 感 器 ， 传 该 感 器采用锁相放大器 为核心的微弱 信号 处理 电路 ， 一次 谐波 对 和二次谐波 的实 验数 据进 行数 据 拟合 。该 系 统采 用光 纤 作为 传输通道 ， 可以不受 电磁 干扰 的影响 ， 以实 现各 传感 器 与光 可 电转换和信号处 理 电路 的完全 隔 离 ， 用 于 易燃易 爆 的场 合 。 适 更换不 同中心波长的激光器 ， 即可对 不 同的气体 进行 测量 。系 统采用 多路 复用技术 ， 在仅有一个 光源 的情 况下 可以实 现多路 多点探测 ， 组成光纤 瓦斯探测传感器 网络 。
２１ ０ ２年
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉ ｓｒ ｍｅ ｔ Ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ａ ｄ Ｓ ｎ ｏ ｎｔ ｕ ｎ ｅ ｈ ｉｕ ｎ ｅ ｓ ｒ
２０１ ２ Ｎｏ ．３
第 ３期
基 于谐 波检 测 的 光谱 吸收 型 光纤 瓦 斯传 感器
卢朝 东 ， 熊 欣
（ ． 南 工 程 学 院 计 算 机 科 学 与工 程 系 ， 南 郑 州 １河 河 ４ １９ ；． 南 工 程 学 院 软 件 学 院 ， 南 郑 州 ５ １ １２ 河 河 ４０５ ） ５０ ３
对式 （ ） 行傅 里 叶级 数展 开后 取 出一 次谐 波 和二 次 谐 ２进
收稿 日期 ：０ １—０ ２１ ７—１ 收修改稿 日期 ：０ ２一Ｏ ３ ２１ １—１ ０
的输 出波长精确锁定 在吸收峰上 ， 免 了利用 复杂 的反馈技 术 避
ｌ ０
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（） ２ 在信号处 理上 ， 过上 位机 控制 锁相 放大 器 自动切换 通
通道 的方式实现 了用 一 台锁相 放大 器通 过分 时工 作输 出一 次 谐 波和二次谐波 ， 图 １所示 的 系统采 用两 部锁 相 放大 器 ， 而 由 于仪器存在不一 致性导致造成测量 误差 。 光纤 瓦斯探 测传感器 的系统 原理如 图 ２所示 。
择性 吸收遵循朗伯 一比尔 （ ａ ｅ － ｅｒ定律 ， Ｌ ｍｂｒ Ｂ ｅ） ｔ 则有
， Ａ Ｉ （ ） ¨Ｊ （ ）＝ ｏ Ａ ｅ ｃ （） １
据 式（ ） ３ 可以求出气体浓度 ｊ 。
图１ 是一种 可实现 的基 于谐波检 测技 术 的光纤 瓦斯 传感 器 。该 系统采用 Ｄ Ｂ Ｌ Ｆ Ｄ前后两 面均发射 激光 ， 利用后 向激 光穿过参考气 室检测一 次谐 波并 反馈 给激光 器用 于精确 锁定 吸收峰 ， 利用前 向激光经过调制后 与瓦斯气体 发生吸收作 用检 测 出一次谐 波和二次谐 波 ， 并通过一 次谐波和 二次谐波 的 比值 求 出瓦斯浓度 。 ２ 基于谐波检测的光谱吸收光纤瓦斯传感器
式 中：（ ） ， Ａ 为波长 的透射 光强 ； （ 为波长 的入 射光强 ； Ａ） ， Ａ） ０ （
为在 Ａ处 的吸收 系数 ； 为 待测气 体浓度 ； 为光和 气体作 用长 ｃ ｚ
度 即吸收路径 。 在光源上叠加 一适 当频率和幅度 的正弦信 号 ， 光源 的波 对 长进行调制 ， 其在该吸收峰处 ， 使 按照正弦规律变化 。 光强也相应地 受到了调制 ， 甲烷气体在 近红外 区的 吸收系 数 比较小 ， 在低 浓度 的情况下 ， 满足 Ｏ Ａ ｃ 《 １ 式成 （ ） Ｌ ）ｌ ， （ ２ 成立 ，Ａ （ ）＝１（ ） １ ／ｉ ｔ ［ 一 Ａ ｃ］ ０ Ａ （ ＋ｖ ｎ ） １ （ ）１ ｓｗ 波， 并把一次谐 波和二次谐波 的系数相 比 ， 整理后可得 （） ２
中 图分 类号 ：Ｐ １ Ｔ２２
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文章 编 号 ：０ ２—１４ （０ ２ ０ ０ ０ ０ １０ ８ １ ２ １ ）３— ０ ９— ２
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从 上式可以看出 ， 、 一 二次谐 波 的幅值 之 比与气 体浓 度成 正比， 光强波动等 因素均可 以消 除。由于光强调制度 竹、 特定波 长处甲烷气体的吸收系数 （ ） Ａ 和光程 ｌ 等都是固定的 ， 以根 所
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图 ２ 光 纤 瓦 斯 探 测 传 感 器 原 理 框 图
图 ３ 实验数据拟合
系统采用 中心波 长为１６ ０ｎ ０ ｍ的分布反馈式 Ｄ Ｂ Ｌ Ｆ Ｄ为光 源， 通过温控 电路和恒流源驱 动电路使 其 中心 波长精 确锁 定于 瓦 斯气 体吸 收峰 上 （ ．５ Ｉ 。光 源调制 采用 振荡器 ， 制频 １６ ， Ｊ ｍ） 调 率 为 １ｋ ｚ 弦波。振荡器 的输 出信号一路加载 到 Ｄ Ｂ Ｌ Ｈ 正 Ｆ Ｄ上 作 为光源调 制信 号 ， 一路 输入 到锁 相放 大器 中， 另 经过 锁 相放 大 器倍 频后 与调 理后的探测器输 出信 号相乘 ， 出一次谐 波信 取
Ｍａ ． ０ ２ ｔ２ １
表 １ 瓦斯气体 吸收实验数据
的降噪措施可 以有 效地提高 系统探测 灵敏度 。 拟合 曲线如图 ３所示。从 图 ３可以看出 ， 由于传感器采用谐
图 １ 谐 波检 测 甲烷 气 体 浓 度 原 理 图
波检测技术 和光纤传感技术 ， 对外 界干扰有 了较好 的抑制 作用 ，
摘要： 针对 目前煤矿 普遍 采用的热催化 瓦斯探测传 感器的检 测灵敏 度低 、 环境 干扰 大的缺陷 ， 设计 了基 于谐 波检 测 的
光谱 吸 收 型 光 纤 瓦斯 传 感 器 。该 传 感 器 采 用 锁 相 放 大 器为 核 心 的微 弱信 号 处 理 电路 ， 过 对 一 次谐 波和 －＆谐 波 的 实验 通 －
０ 引 言
文中根据 目前的几种瓦斯 检测原 理和方 式 ］设 计 了基 ， 于谐 波检测的光谱吸收型光纤 瓦斯传感 器。
１ 气 体 红 外 检 测 原 理
ห้องสมุดไป่ตู้
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式 ： 韭 ＝
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气体 的特征光谱 吸收 强度 与该气 体 的浓 度有 关。利 用这
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图 １ 示 的基 于 谐 波 检 测 甲 烷 气 体 传 感 器 可 以 实 现 所 ０ ０ ％的探 测灵 敏度 ， ．２ 但系统结 构复杂 ， 成本 昂贵 ， 而且传 感器
的可操作性较差 。针对这些缺 点 ， 以下方面进行 了改进 ： 对 （） １ 在激光器 波长输 出方 式上 ， 采用 与 Ｄ ＢＬ Ｆ Ｄ匹 配 的温 度空气器 和电流驱动器 ， 通过控制温 度和 电流 的大小使激 光器
数 据进 行数据拟合 ， 实现 了对 瓦斯气体浓度 的实时精确检 测。 实验 结果表 明： 该传感 器能够有 效地 提取 瓦斯浓度 变化信
息 ， 量误差 小， 测 灵敏 度 高 。
关 键 词 ： 纤 瓦斯 探 测传 感 器 ； 弱 信 号 检 测 ； 相 放 大 器 ； 据 处 理 光 微 锁 数