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

基于谐波检测技术的乙炔气体浓度测量系统

(工程光学:郝蕴绮)

王翔宇

摘要：基于乙炔气体近红外吸收的机理，研究了一种以DFB LD 为光源的高灵敏度光谱吸收型乙炔气体多点检测系统。采用光源调制实现气体浓度的谐波检测，利用二次谐波与一次谐波的比值来消除光路干扰。采用空分复用技术实现多点气体浓度的检测，使多个传感器共用一个光源，降低了成本。建立了谐波检测的数学模型，给出22H C 了乙炔气体的测量结果。测试结果表明：系统灵敏度和稳定

性高，重复性好，适应性强。

关键词：气体传感器；乙炔；多点检测；谐波检测

引言

光纤气体传感器灵敏度高，动态范围大，防电磁干扰，防燃防爆，不易中毒，适合于长距离在线测量。但由于光源造价一般很高，限制了它的大规模使用。乙炔(22H C )是变压器油中的故障特征气体，实时、准确地监测22H C 气体浓度对

保障生产、生活的安全十分重要。基于空分复用技术，将气体传感器组成网络，实现对22H C 气体浓度的多点测量，使多个传感器共用一个光源，降低了成本。

采用分布反馈式半导体激光器(DFBLD)作为光源，通过对光源的调制实现对气体的二次谐波检测，通过二次谐波与一次谐波的比值作为系统的输出，克服了现有仪器受光路干扰较大的缺点，并且比以往采用LED 作为光源的差分检测方式具有更高的灵敏度。

l 基本原理

当一束光强为0I 的输入平行光通过图1所示的气室时，如果光源光谱覆盖1

个或多个气体吸收线，光通过气体时发生衰减，根据Beer —Lambert 定律，输出光强)(t I 与输入光强)(0t I 和气体浓度之间的关系为

[]cL v t I t I t )(exp )()(α-= （1）

式中)(v α为气体吸收系数，即气体在一定频率v 处的吸收线型；L 为吸收路径的长度；c 为气体浓度。

为了产生谐波信号，在激光器的直流工作电流上叠加1个角频率为v 的正弦信号。由于可调谐激光器的输出频率是注入电流的函数，所以注入电流经正弦调制之后，激光器的输出频率和输出光强也将受到相应的调制变成了随频率矿而变化的时变参数

t v v v m ωsin 0+=

（2） []t I t I ωηsin 1)(0'

0+= （3） 式中：0V 为光源未经调制时的中心频率；m V 为频率调制幅度；η为光强调制系

数，f πω2=,f 为电流调制频率。

将式(2)、式(3)代入式(1)，在近红外波段，气体的吸收数很小，满足1)(〈〈cL v α，光强的调制幅度也很小，即，η＜＜1;这样就可以运用近似公式[]cL v cL v )(1)(exp αα-=-，并且可以忽略高阶小项cL t v v t m )sin (sin 0ωαωη+⋅，

则)(t I 可为

[]cL t v v t I t I m )sin (sin 1)(00ωαωη+-+= （4）

气体压力接近101．325kPa 时，可以用Lorenz 曲线描22H C 分子的吸收谱线型

2

0)(1)(v

g v v v δαα-+=

（5） 式中：0α为纯气体在吸收线中心的吸收系数；g v 和v δ分别为对应吸收峰的中心

频率和吸收线半宽。

当光源输出中心波长被精确地锁定在气体吸收峰上时，0V =g V ，式(4)变为

)(t I

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡+-+=t x cL t I t I ωαωη2200sin 1sin 1)( （6） 定义v m v x δ/=，将式(6)展开为傅里叶级数序列，它的一次谐波（f ）和二次谐

波(2f)的系数分别为

η0I I f = （7）

002cLI k I f α-= （8）

式中： 2

1222

122)1()1(222x x x x k +⎥⎦

⎤⎢⎣⎡+-+= （9） 可知，二次谐波和一次谐波的比值不含有0I 项，这样用其作为系统的输出可以消

除光强波动等因素带来的干扰 cL k I I f f

022αη-= （10）

可见，检测二次谐波可以获得气体浓度信息，一次谐波分量主要由强度调制引起，幅度正比于光源的平均功率，和气体浓度没有关系。用二次谐波和一次谐波的比值作为系统的输出，可以消除光源波动等共模噪声。

2系统的设计

22H C 为线性对称分子，在红外光谱中共表现出5种基本简正振动，吸收基

频为矿。一蚝，都不在光纤低损耗范围之内，并受到其他因素如光源和探测器等条件的限制，所以选择吸收

强度不如基频吸收强烈的振动泛频吸收峰进行检测。石英光纤在1．55x 310nm 内为低损耗窗口，22H C 在1．525x 310nm 处由简正振动1V 和3V 形成的振动泛频

吸收(3V +1V )，在1．525x 310ｎｍ附近的能级跃迁主要是C —H 键对称伸缩振动

模式1V ，和C —H 键弯曲振动模式3V 组合频带的跃迁，转动跃迁对吸收谱线的作

用是次要的。由于分子中偶极矩的转动而使吸收谱具有精细结构，根据转动量子数的正负可以将吸收峰分为P 支R 支，并用转动量子数编号，因此P 支和R 支的吸收峰的个数相同，相对变化的规律也相同，但是由于分子的非简谐振动而使它们不对称，所以在短波长的P 支和R 支的稠密度不同。图2是22H C 的近红外光

谱。

光源选择分布反馈式半导体激光器，中心波长为1．52x 310nm ．分布反馈式半导体激光器(DFBLD)是一种内含介质光栅结构，具有优良选频特性的单纵模激光器，所用光源采用高精度的自动功率控制(APC)和自动温度控制(ATC)技术，有很高的短期稳定度和长期稳定度并具有连续光、内调制和外凋制3种工作方式。输出光功率≥1 mW ，短期稳定度(15dB.min)和长期稳定度(8～dB ·h 。)分别为±0．005和±0.03.

系统中，气室是敏感元件，由输入／输出透镜组成。光纤中出射的光，经输入透镜准直变为平行光，穿过气室，由另一透镜耦合到输出光纤中。气室设计的主要原则是吸收光程尽可能大，气室中光路的耦合损耗小，耦合状态稳定。如图1(a)所示波气室结构，入射光先要经过透镜准直，然后通过气体路径，经过聚焦透镜，再回到光纤，因为光路不可能绝对准直，光纤的数值孔径有一定的范围，光信号在这里要损失一部分，并且给系统带来干扰。由于涉到光纤和分立光学元件的耦合问题，准直复杂，温度稳定性、抗震性能也不是最佳。所以选择小型渐变炉折射率透镜如图1(b)所示，这种透镜器件和光纤匹配性好，可选择带尾纤的变折射率透镜，将传输光纤和透镜尾纤直接熔接在一起，改善了耦合的稳定性。

用于多点气体检测的传感器网络系统如图3所示。一定数量Ⅳ的光纤22H C 气体传感器，其中每个均和各自的输入和返回光纤连线构成1个传感通道。可以通过使它们共用1个光源和1个多路探测器阵列或使之共用1个公共探测器和1个多路光源来复用，组成1个结构简单的网络，或者不使用多路探测器阵列或多路光源，而使用单探测器或单光源与光纤开关或光纤多路耦合器(1 xN 路耦合器)。

系统中采用的DFB LD 前后两面均发射激光，利用后向激光穿过参考气室，参考气室内装有已知浓度的22H C 气体，检测一次谐波作为反馈信号对激光器进

行温度控制精确锁定其波长于气体吸收峰上。DFB LD 前向发出经过调制的光经