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%CH
4
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 9-24V
2 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 ()()201
1v 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。

2.2 光源驱动信号产生电路
2.2.1 电路功能及其在系统中的作用
这个电路模块的主要任务是产生光源驱动信号，即上文提到的调制函数f(ω，t)，从上一章的原理部分可以看出，若要得出式1-11，必须有一个重要的前提，就是光源的中心波长ν
0与气体的吸收峰吻合，即ν
=νg。

若要将调制函数f(ω，t)设定为正弦函数sinωt，则需要光
源的中心波长始终锁定在吸收峰上，毫无疑问，这对光源的稳定性要求太高。

为了解决这一问题，不妨给光源添加一个周期的线性斜坡电流信号。

由式1-2可知，这个斜坡电流信号同样会调制光源的输出频率。

那么，只要这个斜坡信号能保证光源的输出频率周期性地扫过吸收峰，就无需光源的中心波长恒定锁定在吸收峰上。

GJC4采用的这个斜坡电流信号是一个锯齿波信号，此时光源输出频率如图2.7所示。

Time
图2.7 锯齿波调制光源频率
图2.7中的水平黑色线为甲烷气体的吸收峰，绿色波形为输出光频率的时域特性。

由式1-2可知，光源的频率和驱动电流呈线性关系，因此输出光的中心频率在时域上仍然是一个锯齿波。

为了给光源留有足够大的误差阈值，确保输出光频率扫过吸收峰，应该尽量让吸收峰处于绿色波形斜坡中心的位置，如图中所示的那样。

此外，为了使调制函数中用于锁相放大的高频部分不至于受到锯齿波的影响，锯齿波的频率应该和调制函数中的高频波拉开距离。

基于以上原则，调制函数f(ω，t)可由一个低频斜坡信号和一个高频信号叠加而成。

其中，
低频斜坡信号是为了让光源的中心频率可以周期性地扫过吸收峰，高频信号则是为了产生含有气体浓度信息的二次谐波信号。

在GJC4中，这个低频斜坡信号采用频率为50Hz的锯齿波，高频信号则采用频率为50kHz的正弦波。

调制信号，即光源驱动信号产生电路的的框图如图2.8所示。

图2.8 光源驱动信号产生电路框图
2.2.2电路模块分析
电路中的50kHz正弦波是通过单片机输出的50kHz方波信号转换而来，方波转正弦波电路如图2.9所示。

图2.9 方波转正弦波电路
电路的通带范围为50～80KHz，GJC4系统中此电路的输入频率为50KHz。

图2.10为电路的交流分析仿真结果，而电路在频率为50KHz、占空比为50%的方波输入下的输入输出波
形如图2.11所示。

图2.10 电路交流分析仿真结果
图2.11 在频率为47KHz方波输入下的输入输出波形
由图2.11所示，若输入为47kHz、占空比为50%的方波，输出的正弦波幅值为输入方波幅值的1/6，或者说输出幅值相对输入幅值的衰减为6dB。

图2.12为求和放大电路原理图，此电路的功能实现两路信号的加法运算。

图2.11 求和放大电路
由图2.11可见，电路主要由两个运放构成，前级运放为典型的反相放大电路构成的求和电路，后级则为反相放大电路。

在前级电路中，50Hz信号（即SAW_100）的增益为R241/R237=1，50kHz信号（即SIN_100K）的增益为R241/R239=0.5。

在后级反相放大电路中，增益为R244/R242=0.1。

图2.12为光源驱动电路，这个电路的一个主要任务就是把求和放大电路输出的电压信号转化为激光器所需要的电流信号。

图2.12 光源驱动电路
如图2.12所示，U205是一个运放，电路为同相放大电路。

由于电路为运放负反馈电路，根据虚短路特性，可知测试点LaserDriver处的电压始终和SIG_LASER保持相同。

由于电阻R205接地，LaserDriver处的电压信号即转换为R205的电流信号。

根据负反馈的虚断路特性，流经LED的电流和流经R205的电流是相同的，因此LED的驱动电流信号和R205上的电压信号保持一致（指波形一致），也和SIG_LASER的信号保持一致。

2.2.3 调制函数的数学模型
为了便于解释后续电路模块的功能，特别是滤波器和锁相放大模块的功能，需要对GJC4
的调制信号进行频谱分析。

首先来建立50Hz 锯齿波信号和50kHz 正弦波信号的数学模型。

对于锯齿波信号，GJC4中采用的信号波形如图2.13所示，假定其水平部分电压为a ，斜坡顶点电压为b ，斜坡起点为坐标原点，则此斜坡信号在[0,T]区间内的函数可表示为：
2()()[()(/2)][(/2)()]SAW b a f t t t t T a t T t T T
εεεε-=--+---（式2-1） 式中，ε(t)为单位阶跃函数。

对于正弦波信号，由于正弦波信号频率远远高于锯齿波，因此可以假定正弦波在图2.13的坐标系中为标准初始相位为0的标准正弦波，即
()sin SIN f t A t ω=（式2-2） 0T/2T
b
图2.13 锯齿波模型
根据上文中求和放大电路的相关参数，可以得出调制函数f(ω，t)的表达式为：
(,)[()()/2]/10SAW SIN f t f t f t ω=+（式2-3）
将式2-3代入式1-8，有：
0002()[10.1()0.05()]0.1()0.05()1()SAW SIN m SAW m SIN g I t I f t f t CL f t f t ναηηννννδ=++-
++-+（式2-4）
根据图2.14的实测运放输出信号，锯齿波的水平部分电压为1.3V ，斜坡顶点电压为2.2V 。

根据图2.15的实测信号，50kHz 正弦波的幅值为±1.3V 。

图2.14 实测锯齿波信号
图2.15 实测正弦波信号
将以上参数带入式2-3，可得调制函数的实际函数：
(,)9[()(0.01)]0.13[(0.01)(0.02)]0.065sin(100)f t t t t t t k t ωεεεεπ=--+---+（式2-5） 此调制函数的实测波形如图2.16所示。

图2.16 调制函数的实测波形
假设吸收峰位于锯齿波斜坡中间的位置，则有当锯齿波信号电压为1.75V 且正弦波为0时，光源输出的频率和气体吸收峰重合。

代入式2-3，即意味着，νg=ν0+0.175。

将此结果
带入式2-4，有：
0022
()[10.1()0.05()]1(0.1()0.05()0.175)SAW SIN SAW SIN I t I f t f t CL f t f t R αηη=++-++-⋅（式2-6） 此外，对式2-5中的低频锯齿波分量进行频谱分析，MatLab 的运算结果显示，锯齿波的能量只要集中在低次谐波。

2.3 信号处理和锁相放大电路
2.3.1 电路功能及其在系统中的作用
此电路模块的主要功能是把信号中的和气体吸收有关的二次谐波分量提取出来，并进行放大。

电路首先把PIN 管输出的电流信号转换为电压信号，然后提取中其中的高频分量。

由式2-5可以看出，高频分量中不仅含有正弦波的信息，同时也含有低频锯齿波的信息，这是因为低频锯齿波调制了高频正弦波。

而锯齿波的能量主要集中在低频部分，因此可将锯齿波看成是低频正弦波的叠加。

那么，根据上文原理部分的分析结论，高频部分就应该主要包括以下几个频率分量：50kHz 正弦波以及因此产生的100kHz 二次谐波和200kHz 四次谐波，50kHz 和50Hz 相乘产生的和、差频信号，以及和、差频信号的倍频信号。

由于50kHz 正弦波的信号强度远远高于其他频率分量，因此高通滤波器输出的波形仍然非常接近于50kHz 正弦波。

波形如图2.17所示。

图2.17 高通滤波器输出波形
由于包含气体浓度信息的二次谐波淹没在了基波信号中，因此需要采用锁相放大的方法将二次谐波提取出来。

现在来对高通滤波的输出信号建立一个简易的模型，根据上文所述，可将PIN 管输出的高频分量分为7个部分，假设ω0=100k π，ω1=200k π，ω2=100π。

则高频可表示为：
01121102202302402()cos cos cos 2cos()cos()cos 2()cos 2()h f t A t B t B t D t
D t D t D t
ωωωωωωωωωωω=+++-+++-++（式2-7） 其中，A 表示50kHz 分量幅值，B 1、B 2表示含有气体浓度的二倍频以及四倍频信号，D 1、
D 2、D 3、D 4表示50kHz 和50Hz 产生的和、差频信号及其倍频信号。

锁相放大器是由一个乘法器和一个积分器构成，其原理框图如图2.18所示。

图中待测信号方程中的N(t)代表噪声，积分器则由低通滤波器替代。

参考信号
sin(2)y B wt φθ=++sin(2)
y A wt φ=+[cos(42)cos ]sin(2)()2y AB wt A wt N t φθθφ=+++++1cos 2
y AB θ=
图2.18 锁相放大原理框图
现在来看式2-7所代表的高频分量通过锁相放大器后的输出。

虽然实际系统中的参考信号用的是100kHz 的方波，但由于其能量主要集中在基波，因此这里仍将其视作100kHz 正弦
波。

那么，f h(t）通过乘法器后的输出即为式2-7中的7个分量与100kHz正弦波产生的和、差频信号，这些信号的频率一共有14个（展开式太长，这里就不写出来了）。

其中有三个是低频信号，分别是100kHz的二倍频信号和100kHz参考信号形成的差频直流信号，以及式2-7中后两项与参考信号形成的频率为100Hz的低频信号。

由于余弦函数是偶函数，则三个低频信号中的后两个可以合并为一个100Hz低频信号。

当然，由于实际系统中的高频成分复杂，因此这两个低频分量只是锁相放大器的主要分量，基本决定了锁相放大器的输出波形。

由于这两个低频分量均和50kHz的高次谐波相关，因此这两个分量均还有气体浓度信息。

实测的锁相放大器输出如图2.19中黄色曲线所示。

图2.19 锁相放大器输出信号
基于以上分析，可知本电路模块主要包括光电转换电路，前置放大电路和锁相放大电路。

其结构框图如图2.20所示。

二次谐波幅值信号乘法器输出信号
PIN 管输出波形
光源
高通滤波输出
图2.20 信号处理和锁相放大电路结构框图
2.3.2电路模块分析
首先来看光电转换电路，系统通过一个PIN 管来接收光信号，并通过运放来实现跨阻放大。

电路原理图如图2.21所示。

图2.21 光电转换电路原理图
如图2.21所示，运放的负反馈在2、3脚形成虚断路，故通过R253的电流和通过PIN 的电流相同。

由于PIN 管的电流和光强信号呈线性关系，那么PIN-Receive 的电压信号即和光强信号一致。

这就表明，算法中对光强信号的分析可以转化为对PIN-Receive 处的电压信号
的分析。

下面来看前置放大和高通滤波电路，其原理图如图2.22所示。

图2.22 前置放大和高通滤波电路
如图2.22所示，U221是一个运放构成的电压跟随器，作用是做前级的隔离。

仿真显示，此电路的截止频率为10kHz，在50kHz处的增益为8.7。

电路交流特性的仿真结果如图2.23所示。

图2.24为电路的实测输入波形，高通滤波电路的输出波形即是上文中的图2.17。

图2.23 高通滤波电路交流特性仿真结果
图 2.24 高通滤波电路输入信号（即PIN-Receive信号）
为了使输入波形的峰-峰值看得更清楚，图2.24给出的是示波器在欠采样情况下显示的输入波形。

从图中可以看出，其峰-峰值约为0.3V，图2.17中输出信号的峰-峰值约为2.5V，考虑到噪声因素，和仿真的结果相当。

下面来看锁相放大电路，锁相放大电路中的乘法运算是通过AD630AR来实现的，电路原理图如图2.25所示。

图2.25 锁相放大电路
如图2.25所示，AD630AR的输出（即MixOut信号）为乘法器的输出。

根据上文分析，其波形为多路信号的和、差频信号，没有实质意义。

锁相放大电路的右边部分为带通滤波电路，因其下限截止频率很低，故可将其视作低通滤波电路。

此滤波电路的仿真结果如图2.26所示。

图2.26 带通滤波器仿真结果
如图2.26所示，此带通滤波电路的通带约为50～500Hz，上文提到的100Hz低频分量可以顺利通过。

现在回头来看图2.19所示的锁相放大器输出波形。

可以看到图片中黄色曲线的直流分量为0，这就因为100kHz参考信号和含有气体浓度信息的100kHz二次谐波形成的差频直流信号无法通过带通滤波器。

这就表明，系统实际上不是在用50kHz高频正弦信号的二次谐波去解调，而是用50kHz基波和50Hz低频信号相乘产生的2倍差频信号去解调，即上文提到的锁相放大输出信号中的100Hz低频分量，这和图2.19中实测的波形频率吻合。

3.2根据上文分析，只要确定系统的各个参数，通过傅里叶分析，就可以得出式2-7各个频率
分量的幅值，最终可计算出锁相放大输出波形的幅值。

然后根据原理部分的论述，即可求出气体的浓度。

4附录
A.参考文献
[1]J. Reid, and D. Labrie. “Second-Harmonic Detection with Tunable Diode Lasers –Comparison of
Experiment and Theory”, Appl. Phys. B 26, 203-210, 1981.
[2]王玉田，刘瑾，张景超，杨海马。

“基于谐波检测技术的光纤甲烷气体传感器的研究”，测控技术，22
（11），19-20，2003。

B.主要光学/光电子器件性能指标
C.。