光纖氣體傳感器精華

1、光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖氣體傳感器光纖氣體傳感器 光譜吸收式光纖甲烷檢測系統(tǒng)光譜吸收式光纖甲烷檢測系統(tǒng) 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)時間時間 地點地點 遇難人數(shù)遇難人數(shù) 事故原因事故原因 2010.3.22010.3.28 8山西王家?guī)X煤礦山西王家?guī)X煤礦3737人遇難，一人下人遇難，一人下落不明落不明透水事故透水事故2010.03.2010.03.01 01 內(nèi)蒙古烏海內(nèi)蒙古烏海 3131名被困者無生還名被困者無生還可能可能 在建的神華集團駱駝山煤礦在建的神華集團駱駝山煤礦發(fā)生透水事故發(fā)生透水事故 2010.01.2010.01.05 05 湖南立勝湖南立勝 3434人死亡人死

2、亡 湖南立勝煤礦發(fā)生重大火災湖南立勝煤礦發(fā)生重大火災事故事故 2009.11.2009.11.21 21 黑龍江鶴崗黑龍江鶴崗 共造成共造成108108人遇難人遇難 新興煤礦發(fā)生瓦斯爆炸新興煤礦發(fā)生瓦斯爆炸 2009.09.2009.09.08 08 河南省平頂山河南省平頂山 5454人死亡人死亡 違法違規(guī)組織生產(chǎn)導致的特違法違規(guī)組織生產(chǎn)導致的特大瓦斯爆炸事故大瓦斯爆炸事故 2009.05.2009.05.30 30 重慶市綦江縣重慶市綦江縣 3030人死亡、人死亡、7777人人受傷受傷 違規(guī)違章行為引發(fā)的特別重違規(guī)違章行為引發(fā)的特別重大安全生產(chǎn)事故。大安全生產(chǎn)事故。 2009.02.2009

3、.02.22 22 山西屯蘭山西屯蘭 7878人死亡人死亡 瓦斯?jié)舛冗^高，煤礦爆炸。瓦斯?jié)舛冗^高，煤礦爆炸。 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)瓦斯爆炸是影響煤礦安全重大威脅之一。據(jù)統(tǒng)計，瓦斯爆炸是影響煤礦安全重大威脅之一。據(jù)統(tǒng)計，我國煤礦爆炸事故近我國煤礦爆炸事故近80%是由瓦斯氣體爆炸引起是由瓦斯氣體爆炸引起的。的。瓦斯的主要成分是甲烷瓦斯的主要成分是甲烷，約占瓦斯氣體的，約占瓦斯氣體的83%89%。當空氣中的甲烷濃度約為當空氣中的甲烷濃度約為5.3%到到15%時，遇火源時，遇火源就會爆炸；在無火源情況下，當空氣中的甲烷濃就會爆炸；在無火源情況下，當空氣中的甲烷濃度達到度達到50%，能使人因

4、缺氧而窒息死亡。，能使人因缺氧而窒息死亡。為了預防與控制事故的發(fā)生，最大限度地減少人為了預防與控制事故的發(fā)生，最大限度地減少人員傷亡，研究能在線實時快速檢測甲烷氣體濃度員傷亡，研究能在線實時快速檢測甲烷氣體濃度的儀器是十分必要的。的儀器是十分必要的。 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)甲烷也被認為是溫室效應最主要的氣體之甲烷也被認為是溫室效應最主要的氣體之一，甲烷吸收紅外線能力是二氧化碳的一，甲烷吸收紅外線能力是二氧化碳的15-30倍，占據(jù)整個溫室氣體貢獻量的倍，占據(jù)整個溫室氣體貢獻量的15%，溫室氣體引起的全球氣候變暖直接關系到溫室氣體引起的全球氣候變暖直接關系到人類健康生活，更是被民眾所關心

5、。人類健康生活，更是被民眾所關心。 甲烷還與燃燒和推進聯(lián)系非常緊密，它的甲烷還與燃燒和推進聯(lián)系非常緊密，它的濃度測量直接與對燃燒效率以及推進過程濃度測量直接與對燃燒效率以及推進過程的分析有關。的分析有關。光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 馬赫一澤德爾干涉儀馬赫一澤德爾干涉儀 聲波激勵源是機械斬波聲波激勵源是機械斬波的的ArAr離子激光器離子激光器光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)各種光纖氣體傳感器及其性能比較傳感器類型傳感器類型優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點干涉型干涉型靈敏度高靈敏度高穩(wěn)定性差，難以實現(xiàn)遙測穩(wěn)定性差，難以實現(xiàn)遙測反射型反射型靈敏度較高靈敏度較高線性范圍窄，長期穩(wěn)

6、定性差，需加線性范圍窄，長期穩(wěn)定性差，需加工工光纖漸逝場光纖漸逝場氣體傳感器氣體傳感器靈敏度高，能實現(xiàn)分靈敏度高，能實現(xiàn)分布式傳感及交叉分辨布式傳感及交叉分辨表面污染問題嚴重，其中多聚物包表面污染問題嚴重，其中多聚物包層光纖對相對溫度、濕度、漸逝場層光纖對相對溫度、濕度、漸逝場的強度依賴性大；需加工的強度依賴性大；需加工近近紅紅外外吸吸收收差分吸收檢測差分吸收檢測靈敏度高靈敏度高 斬波器的使用使得穩(wěn)定性不高，濾斬波器的使用使得穩(wěn)定性不高，濾波片的使用使得有用光功率不足波片的使用使得有用光功率不足諧波檢測諧波檢測靈敏度高，穩(wěn)定性較靈敏度高，穩(wěn)定性較好好需求光源可調(diào)諧范圍較寬，頻率穩(wěn)需求光源可調(diào)諧

7、范圍較寬，頻率穩(wěn)定度高，光源驅動較復雜定度高，光源驅動較復雜光吸收熱效應光吸收熱效應靈敏度較高靈敏度較高傳感探頭帶電，難以實現(xiàn)遙測，且傳感探頭帶電，難以實現(xiàn)遙測，且需要大功率輸出光源需要大功率輸出光源光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)p光譜吸收型光纖傳感器光譜吸收型光纖傳感器光譜吸收法是光譜吸收法是通過檢測氣體透射光強或反通過檢測氣體透射光強或反射光強的變化射光強的變化來檢測氣體濃度的方法。每來檢測氣體濃度的方法。每種氣體分子都有自己的吸收種氣體分子都有自己的吸收( (或輻射或輻射) )譜特征，譜特征，光源的發(fā)射譜只有在與氣體吸收譜重疊的光源的發(fā)射譜只有在與氣體吸收譜重疊的部分才產(chǎn)生吸收，吸收后

8、的光強將發(fā)生變部分才產(chǎn)生吸收，吸收后的光強將發(fā)生變化?；?。光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)p光譜吸收型光纖傳感器光譜吸收型光纖傳感器光譜吸收型光纖傳感器是光譜吸收型光纖傳感器是基于激光光譜分基于激光光譜分析技術析技術設計的，結合現(xiàn)代光纖通信技術，設計的，結合現(xiàn)代光纖通信技術，將以前主要用于實驗室氣體分析的激光光將以前主要用于實驗室氣體分析的激光光譜分析技術應用在工業(yè)現(xiàn)場。同時譜分析技術應用在工業(yè)現(xiàn)場。同時利用光利用光纖技術纖技術的特點，使光譜吸收型光纖傳感器的特點，使光譜吸收型光纖傳感器在探測靈敏度、遠程遙測、多點測量方面在探測靈敏度、遠程遙測、多點測量方面發(fā)揮更大的優(yōu)勢發(fā)揮更大的優(yōu)勢 光纖甲

9、烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)p近紅外光譜吸收型光纖傳感器近紅外光譜吸收型光纖傳感器 近紅外光是指波長在近紅外光是指波長在7802526nm范圍內(nèi)的范圍內(nèi)的電磁波，甲烷氣體分子的泛頻和組合頻吸電磁波，甲烷氣體分子的泛頻和組合頻吸收峰正好落在光纖收峰正好落在光纖0.8-1.7m的近紅外區(qū)域的近紅外區(qū)域低損耗傳輸窗口范圍內(nèi)，且在這一波段的低損耗傳輸窗口范圍內(nèi)，且在這一波段的光學器件比較成熟，使得近紅外光譜在在光學器件比較成熟，使得近紅外光譜在在線分析領域得到了廣泛的應用。線分析領域得到了廣泛的應用。光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)p近紅外光譜吸收型光纖傳感器近紅外光譜吸收型光纖傳感器 近紅外光譜吸收型

10、光纖氣體傳感器與其他近紅外光譜吸收型光纖氣體傳感器與其他光纖氣體傳感器相比具有極高的測量靈敏光纖氣體傳感器相比具有極高的測量靈敏度，極高的氣體鑒別能力，快速的響應能度，極高的氣體鑒別能力，快速的響應能力，簡單可靠的氣體傳感探頭、氣室以及力，簡單可靠的氣體傳感探頭、氣室以及易于形成網(wǎng)絡等優(yōu)點，是目前研究最廣泛，易于形成網(wǎng)絡等優(yōu)點，是目前研究最廣泛，最有前途的一種光纖氣體傳感技術。最有前途的一種光纖氣體傳感技術。 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)光譜吸收式光纖氣體傳感器國外研究現(xiàn)狀光譜吸收式光纖氣體傳感器國外研究現(xiàn)狀 最早應用光譜吸收式光纖傳感技術進行氣體濃度測試研究最早應用光譜吸收式光纖傳感技術

11、進行氣體濃度測試研究的是的是日本日本Tohoku大學的大學的H. Inaba和和K. Chan等，他們在光等，他們在光纖透射窗口波段范圍內(nèi)，做了一些氣體傳感的基本研究。纖透射窗口波段范圍內(nèi)，做了一些氣體傳感的基本研究。1979年，他們提出利用長距離光纖進行大氣污染檢測。年，他們提出利用長距離光纖進行大氣污染檢測。1981年，他們又報道了光纖二氧化氮氣體濃度的檢測實驗。年，他們又報道了光纖二氧化氮氣體濃度的檢測實驗。利用二氧化氮在利用二氧化氮在400nm處和處和800nm處的較寬吸收峰，用處的較寬吸收峰，用LED作光源進行二氧化氮的直接吸收測量，與此同時，還作光源進行二氧化氮的直接吸收測量，與此

12、同時，還進行了光纖化的甲烷氣體濃度測量實驗研究，并于進行了光纖化的甲烷氣體濃度測量實驗研究，并于1983年年用用LED作為寬帶光源，配合窄帶干涉濾光片，對甲烷在作為寬帶光源，配合窄帶干涉濾光片，對甲烷在1331.2nm附近的附近的Q線進行檢測，系統(tǒng)最小可探測靈敏度為線進行檢測，系統(tǒng)最小可探測靈敏度為25%LEL(氣體爆炸下限氣體爆炸下限) 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)光譜吸收式光纖氣體傳感器國外研究現(xiàn)狀光譜吸收式光纖氣體傳感器國外研究現(xiàn)狀 1987年年J. P. Dakin和和C. A. wade等人報道了一種利等人報道了一種利用梳狀濾波器和寬帶光源用梳狀濾波器和寬帶光源(LED)測量甲烷

13、氣體濃測量甲烷氣體濃度的方法。入射光可覆蓋一簇氣體吸收峰，通過度的方法。入射光可覆蓋一簇氣體吸收峰，通過氣體吸收后，光譜被調(diào)制為梳狀。這種方法適合氣體吸收后，光譜被調(diào)制為梳狀。這種方法適合于甲烷和乙炔等具有梳狀吸收峰的氣體。于甲烷和乙炔等具有梳狀吸收峰的氣體。 1988年，年，A. Mohebati和和T. A.King用用1.33m的的InGaAsP多模激光器測量了甲烷氣體的濃度，采多模激光器測量了甲烷氣體的濃度，采用波長差分吸收法，室溫下可以測量最小靈敏度用波長差分吸收法，室溫下可以測量最小靈敏度可達可達1000 ppm。 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)光譜吸收式光纖氣體傳感器國外研究現(xiàn)

14、狀光譜吸收式光纖氣體傳感器國外研究現(xiàn)狀 1990年，年，H. Tai和和K. Yamamoto等利用等利用1.66m單模單模分布反饋式分布反饋式(DFB LD)半導體激光器，采用了波長半導體激光器，采用了波長(頻率頻率)調(diào)制的諧波檢測方法，室溫下檢測甲烷氣調(diào)制的諧波檢測方法，室溫下檢測甲烷氣體濃度，最小可探測靈敏度可達體濃度，最小可探測靈敏度可達20 ppm。這一系。這一系統(tǒng)將可調(diào)諧半導體激光光源統(tǒng)將可調(diào)諧半導體激光光源(DFB LD)，波長調(diào)制，波長調(diào)制諧波檢測和光纖技術結合起來，獲得了很高的探諧波檢測和光纖技術結合起來，獲得了很高的探測靈敏度。在以后的很長一段時間內(nèi)，沿著這種測靈敏度。在以

15、后的很長一段時間內(nèi)，沿著這種技術方向，又有一些光纖氣體探測系統(tǒng)被報道出技術方向，又有一些光纖氣體探測系統(tǒng)被報道出來。來。 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)光譜吸收式光纖氣體傳感器國外研究現(xiàn)狀光譜吸收式光纖氣體傳感器國外研究現(xiàn)狀 1992年，年，H. Tai給出了采用兩個給出了采用兩個DFB LD光源組成一個復光源組成一個復合光源，在同一個光纖傳感系統(tǒng)中同時測量甲烷和乙炔的合光源，在同一個光纖傳感系統(tǒng)中同時測量甲烷和乙炔的實驗系統(tǒng)。這個系統(tǒng)中的傳輸光纖長實驗系統(tǒng)。這個系統(tǒng)中的傳輸光纖長4km，氣室長，氣室長10cm，檢測系統(tǒng)采用波長調(diào)制的諧波檢測技術，甲烷的最小可探檢測系統(tǒng)采用波長調(diào)制的諧波檢測

16、技術，甲烷的最小可探測靈敏度為測靈敏度為5ppm，乙炔的最小可探測靈敏度為，乙炔的最小可探測靈敏度為3ppm，氣，氣體間的串擾很小，可以忽略，是一種傳感器的復用方法。體間的串擾很小，可以忽略，是一種傳感器的復用方法。 V. Weldon在在1993年和年和1994年分別報道了采用一個年分別報道了采用一個1.64m可調(diào)諧可調(diào)諧DFB激光器同時測量甲烷和二氧化碳及一個激光器同時測量甲烷和二氧化碳及一個1.57m可調(diào)諧可調(diào)諧DFB激光器同時測量硫化氫和二氧化碳氣體的實驗激光器同時測量硫化氫和二氧化碳氣體的實驗研究，其最小探測靈敏度都優(yōu)于研究，其最小探測靈敏度都優(yōu)于10ppm。 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲

17、烷檢測系統(tǒng)光譜吸收式光纖氣體傳感器國外研究現(xiàn)狀光譜吸收式光纖氣體傳感器國外研究現(xiàn)狀 為了光纖氣體傳感技術的工程應用，人們更加關為了光纖氣體傳感技術的工程應用，人們更加關注氣體傳感的噪聲分析。通過對諧波檢測技術的注氣體傳感的噪聲分析。通過對諧波檢測技術的分析，有人提出了優(yōu)化諧波檢測技術參數(shù)的方法。分析，有人提出了優(yōu)化諧波檢測技術參數(shù)的方法。靳偉博士和靳偉博士和G. Stewart對氣體傳感中相干噪聲的來對氣體傳感中相干噪聲的來源及消除方法進行了深入的研究。其中源及消除方法進行了深入的研究。其中G. Stewart建立了光纖氣體傳感頭端反射噪聲的模型，而靳建立了光纖氣體傳感頭端反射噪聲的模型，而靳

18、偉博士則提出了光纖氣體傳感系統(tǒng)中反射相干信偉博士則提出了光纖氣體傳感系統(tǒng)中反射相干信號的更普遍模型，并且對單點氣體傳感器做了比號的更普遍模型，并且對單點氣體傳感器做了比較全面的噪聲誤差分析，給出了理論極限較全面的噪聲誤差分析，給出了理論極限 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)光譜吸收式光纖氣體傳感器國內(nèi)研究現(xiàn)狀光譜吸收式光纖氣體傳感器國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1989年，西安光機所郭栓運等在應用光學年，西安光機所郭栓運等在應用光學雜志上介紹了差分光譜光纖氣體傳感器的雜志上介紹了差分光譜光纖氣體傳感器的基本原理，列舉了一些具體應用實例?；驹?，列舉了一些具體應用實例。上海交通大學應用物理系的一個研究小組上海

19、交通大學應用物理系的一個研究小組于于1990年用國產(chǎn)元件建立了一個檢測大氣年用國產(chǎn)元件建立了一個檢測大氣中甲烷氣體濃度的實驗裝置。該裝置的測中甲烷氣體濃度的實驗裝置。該裝置的測量靈敏度約為量靈敏度約為7000ppm，是甲烷氣體在大，是甲烷氣體在大氣中最低爆炸極限的氣中最低爆炸極限的13%。 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)光譜吸收式光纖氣體傳感器國內(nèi)研究現(xiàn)狀光譜吸收式光纖氣體傳感器國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1997年，山東礦業(yè)學院的曹茂永等對光譜年，山東礦業(yè)學院的曹茂永等對光譜吸收式光纖瓦斯傳感器的參數(shù)設計進行了吸收式光纖瓦斯傳感器的參數(shù)設計進行了探討，提出根據(jù)傳感器的技術指標確定其探討，提出根據(jù)傳感器的

20、技術指標確定其基本參數(shù)的方法?；緟?shù)的方法。2000年，浙江大學葉險峰博士用中心波長年，浙江大學葉險峰博士用中心波長為為1.3m的的LED作光源，配合閃耀光柵對作光源，配合閃耀光柵對CH4氣體進行了檢測實驗，檢測靈敏度為氣體進行了檢測實驗，檢測靈敏度為1300ppm 。光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)光譜吸收式光纖氣體傳感器國內(nèi)研究現(xiàn)狀光譜吸收式光纖氣體傳感器國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2001年燕山大學王玉田教授及郭增軍博士提出光年燕山大學王玉田教授及郭增軍博士提出光纖傳感技術和計算機數(shù)據(jù)處理技術相結合，研制纖傳感技術和計算機數(shù)據(jù)處理技術相結合，研制一種基于差分吸收技術的光纖甲烷氣體檢測儀。一種基于差分

21、吸收技術的光纖甲烷氣體檢測儀。2004年，王玉田教授和他的研究小組利用復用多年，王玉田教授和他的研究小組利用復用多個光譜吸收型光纖傳感器，并通過諧波檢測技術個光譜吸收型光纖傳感器，并通過諧波檢測技術對微弱信號進行處理，設計一套甲烷氣體多點光對微弱信號進行處理，設計一套甲烷氣體多點光纖傳感系統(tǒng)。該傳感器系統(tǒng)可探測氣體濃度范圍纖傳感系統(tǒng)。該傳感器系統(tǒng)可探測氣體濃度范圍為為200ppm-100%，可在多場合進行多點在線測量，可在多場合進行多點在線測量，測量精確度和穩(wěn)定性均大大提高，但是測量點數(shù)測量精確度和穩(wěn)定性均大大提高，但是測量點數(shù)目依然不高。目依然不高。光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)光譜吸收式

22、光纖氣體傳感器國內(nèi)研究現(xiàn)狀光譜吸收式光纖氣體傳感器國內(nèi)研究現(xiàn)狀 哈爾濱工程大學、哈爾濱工業(yè)大學、武漢哈爾濱工程大學、哈爾濱工業(yè)大學、武漢理工大學、安徽光學精密機械研究所、華理工大學、安徽光學精密機械研究所、華南理工大學、中國科學院電子學研究所、南理工大學、中國科學院電子學研究所、東南大學、山西大學、北京交通大學、太東南大學、山西大學、北京交通大學、太原理工大學等也均開展了相關研究。原理工大學等也均開展了相關研究。 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)p 核心思想：核心思想：Lambert-BeerLambert-Beer定律定律光譜吸收式氣體傳感器理論基礎光譜吸收式氣體傳感器理論基礎outin(

23、)exp( )IIvv CL 為光頻為為光頻為v處的吸收系數(shù)，表示體積濃度為處的吸收系數(shù)，表示體積濃度為100%，吸收光程長度為，吸收光程長度為1cm時吸收氣體對頻率為時吸收氣體對頻率為的的v單色光的吸收能力；單色光的吸收能力；C為吸收氣體體積濃度百分比；為吸收氣體體積濃度百分比；L為總的氣體吸收光程，單位為總的氣體吸收光程，單位cm。 ( )v光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)p 核心思想：核心思想：Lambert-BeerLambert-Beer定律定律光譜吸收式氣體傳感器理論基礎光譜吸收式氣體傳感器理論基礎outin( )exp( )IIvv CL當當C 或或L 很小時，有很小時，有( )

24、1v CL則則Lambert-Beer定律近似為：定律近似為：outin( ) 1( )IIvv CL 0201vvv0v0為氣體吸收譜線中心波數(shù)；為氣體吸收譜線中心波數(shù)；為氣體吸收譜線半寬；為氣體吸收譜線半寬； 為氣體吸收譜線中心處的吸收系數(shù)為氣體吸收譜線中心處的吸收系數(shù) 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)p 核心思想：核心思想：Lambert-BeerLambert-Beer定律定律光譜吸收式氣體傳感器理論基礎光譜吸收式氣體傳感器理論基礎outin( ) 1( )IIvv CL 0201vvv光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)p氣體分子光譜吸收理論氣體分子光譜吸收理論 氣體分子只氣體分子只吸收

25、那些能吸收那些能量正好等于它的某兩個量正好等于它的某兩個能級的能量之差的光子能級的能量之差的光子，吸收的光子后的分子將吸收的光子后的分子將從低能態(tài)激發(fā)到較高的從低能態(tài)激發(fā)到較高的能態(tài)上，在激發(fā)態(tài)停留能態(tài)上，在激發(fā)態(tài)停留很短的時間后，有通過很短的時間后，有通過釋放出光子回到穩(wěn)定態(tài)，釋放出光子回到穩(wěn)定態(tài)，這就是這就是氣體分子的選擇氣體分子的選擇吸收理論吸收理論。 甲烷氣體吸收光譜圖甲烷氣體吸收光譜圖光譜吸收式氣體傳感器理論基礎光譜吸收式氣體傳感器理論基礎光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)p甲烷特征譜線分析與選擇甲烷特征譜線分析與選擇甲烷氣體的組合頻和泛頻吸收波長分別為甲烷氣體的組合頻和泛頻吸收波長分

26、別為1.33m和和1.66m。光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)p甲烷特征譜線分析與選擇甲烷特征譜線分析與選擇甲烷氣體的組合頻和泛頻吸收波長分別為甲烷氣體的組合頻和泛頻吸收波長分別為1.33m和和1.66m。根據(jù)根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫資料顯示，甲烷氣體在數(shù)據(jù)庫資料顯示，甲烷氣體在1.66m處的吸收強度比在處的吸收強度比在1.33m處更大，這樣處更大，這樣有有利于微弱信號的檢測利于微弱信號的檢測；1.66m處于近紅外區(qū)石英光纖低損耗、低色散區(qū)，處于近紅外區(qū)石英光纖低損耗、低色散區(qū)，這一波段與通信上所用的這一波段與通信上所用的1.55m波段接近，因此波段接近，因此光器件更容易獲得光器件更容易獲得；水

27、蒸氣、二氧化碳等在水蒸氣、二氧化碳等在1.66m處無明顯吸收處無明顯吸收。光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)甲烷在波長附近有三條相距非常近的吸收線，三條吸收線分布甲烷在波長附近有三條相距非常近的吸收線，三條吸收線分布在小于在小于0.01nm波長范圍之內(nèi)，可以合成為一條波長范圍之內(nèi)，可以合成為一條在在1653.72nm處、處、半寬為半寬為0.018nm的吸收線的吸收線，并以此，并以此作為檢測的吸收線作為檢測的吸收線。CH4在在1653.72nm處吸收譜線精細結構及吸收系數(shù)合成圖處吸收譜線精細結構及吸收系數(shù)合成圖p甲烷特征譜線分析與選擇甲烷特征譜線分析與選擇光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)p 檢測方

28、法檢測方法差分吸收技術差分吸收技術調(diào)制技術調(diào)制技術 單波長差分單波長差分雙波長差分雙波長差分強度調(diào)制強度調(diào)制濃度調(diào)制濃度調(diào)制波長調(diào)制波長調(diào)制 目的：目的：抑制噪聲，提高靈敏度抑制噪聲，提高靈敏度光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)一路通過含有被測氣體的檢測氣室；一路通過含有被測氣體的檢測氣室；一路通過不含被測氣體的參考氣室即一路通過不含被測氣體的參考氣室即真空，其衰減代表了光路中與被測物真空，其衰減代表了光路中與被測物質(zhì)無關的損耗。質(zhì)無關的損耗。光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)11110( , )exp()fcidKT tKCLI22220( , )fcidKT tKIi1、i2分別為兩探測器的輸

29、出光電流；分別為兩探測器的輸出光電流；d1、d2為分光器的分光系數(shù)為分光器的分光系數(shù)Kf1、Kf2Kc1、Kc2光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)11110( , )exp()fcidKT tKCLI22220( , )fcidKT tKI111222fcfcd K Kd K K常數(shù)設則12exp()iCLi光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 優(yōu)點：優(yōu)點：可從理論上完全消除光路可從理論上完全消除光路的干擾因素，并消除光源輸出光的干擾因素，并消除光源輸出光功率不穩(wěn)定的影響。功率不穩(wěn)定的影響。缺點：缺點：對光源中心波長的漂移以對光源中心波長的漂移以及濾波特性對檢測結果的

30、影響是及濾波特性對檢測結果的影響是無能為力的。無能為力的。光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 1 212光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)1011111()()()()exp()()iIKDCL 2022222()()() ()exp()()iIKDCL 1()K2()K 1()D2()D1() 2() 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)1011111()()()()exp()()iIKDCL 2022222()()() ()exp()()iIKDCL 相除，得相除，得11012121222021() ()()()1lnln ()() ()()() ()()()KDIiCLKDIi 可簡化為可簡化為

31、2121()1ln ()()()iCLi 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 優(yōu)點：優(yōu)點：有效消除光路干擾和光源強度變化有效消除光路干擾和光源強度變化的影響，靈敏度高的影響，靈敏度高 缺點：缺點：斬波器的使用，使得穩(wěn)定性不高；斬波器的使用，使得穩(wěn)定性不高；濾波片的使用，使得有用光功率不足。濾波片的使用，使得有用光功率不足。光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 光強調(diào)制光強調(diào)制 outin( ) 1( )IIvv CL頻率調(diào)制頻率調(diào)制光程調(diào)制光程調(diào)制濃度調(diào)制濃度調(diào)制光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 光強調(diào)制是按一定規(guī)律改變?nèi)肷涔夤鈴娬{(diào)制是按一定規(guī)律改變?nèi)肷涔獾膹姸?，然后在輸出端按照相應的的強度，然后?/p>

32、輸出端按照相應的規(guī)律解調(diào)出氣體吸收信號的過程。規(guī)律解調(diào)出氣體吸收信號的過程。 光強調(diào)制光強調(diào)制0( )( )(1sin)exp()IImtCL001( )(1)( ) (1)sinCLICLImCLt00( , )( )(1sin)ItImt 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 為了提高信噪比，應該增大調(diào)制系數(shù)。光為了提高信噪比，應該增大調(diào)制系數(shù)。光源的強度調(diào)制是通過調(diào)制激光器的注入電源的強度調(diào)制是通過調(diào)制激光器的注入電流實現(xiàn)的，而注入電流的大幅度變化會導流實現(xiàn)的，而注入電流的大幅度變化會導致激光器輸出光的波長發(fā)生變化；后者很致激光器輸出光的波長發(fā)生變化；后者很小的變化就會使氣體吸收系數(shù)發(fā)生很大

33、的小的變化就會使氣體吸收系數(shù)發(fā)生很大的變化。因此，變化。因此，光源強度調(diào)制檢測氣體濃度光源強度調(diào)制檢測氣體濃度是一種很粗糙的手段是一種很粗糙的手段。 光強調(diào)制光強調(diào)制0( )( )(1sin)exp()IImtCL001( )(1)( ) (1)sinCLICLImCLt光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 對氣體濃度的調(diào)制可以通過對氣室對氣體濃度的調(diào)制可以通過對氣室內(nèi)氣體的壓力進行調(diào)制來實現(xiàn)，利內(nèi)氣體的壓力進行調(diào)制來實現(xiàn)，利用基于聲諧振蕩器原理的聲波調(diào)制用基于聲諧振蕩器原理的聲波調(diào)制可以達到這一目的?？梢赃_到這一目的。 濃度調(diào)制在理論上是一種抗干擾能濃度調(diào)制在理論上是一種抗干擾能力較強的檢測方法

34、，但是力較強的檢測方法，但是精確的調(diào)精確的調(diào)制聲波駐場不容易實現(xiàn)制聲波駐場不容易實現(xiàn)，對氣室和，對氣室和聲波振蕩裝置要求都很高；另外，聲波振蕩裝置要求都很高；另外，聲源的驅動可能會使氣室受到電磁聲源的驅動可能會使氣室受到電磁干擾干擾，影響檢測的精確度。，影響檢測的精確度。濃度調(diào)制濃度調(diào)制 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 因半導體激光器輸出波長與注入的驅動電因半導體激光器輸出波長與注入的驅動電流有關，可通過調(diào)制注入電流實現(xiàn)對光源流有關，可通過調(diào)制注入電流實現(xiàn)對光源波長的調(diào)制，從而形成一種波長的調(diào)制，從而形成一種波長調(diào)制光譜波長調(diào)制光譜技術技術（WMS, Wavelength Modulatio

35、n Spectroscopy ） 優(yōu)點：優(yōu)點：可以抑制檢測系統(tǒng)中的各種背景噪可以抑制檢測系統(tǒng)中的各種背景噪聲，提高系統(tǒng)的檢測靈敏度，實現(xiàn)低濃度聲，提高系統(tǒng)的檢測靈敏度，實現(xiàn)低濃度（可達（可達ppm量級）氣體的檢測量級）氣體的檢測 波長調(diào)制波長調(diào)制 可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術（可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術（TDLAS）光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 波長調(diào)制波長調(diào)制 in011cosIIvIvtcosDvvvt加入正弦信號調(diào)制后的電流：加入正弦信號調(diào)制后的電流：激光器輸出的頻率：激光器輸出的頻率：甲烷吸收線線型函數(shù)為：甲烷吸收線線型函數(shù)為： 020cos1Dvvvtv光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷

36、檢測系統(tǒng) 波長調(diào)制波長調(diào)制 當當 0Dvv有：有： 02cos1vvt展開成傅里葉偶函數(shù)有：展開成傅里葉偶函數(shù)有： 0024cos2cos4vAAtAt01222 1xAxvx1222212222 22 11xxAxx光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 波長調(diào)制波長調(diào)制 當當 0Dvv有：有： 02cos1vvt展開成傅里葉偶函數(shù)有：展開成傅里葉偶函數(shù)有： 0024cos2cos4vAAtAtout010000202( )111cos2cos2III vCLA CLA CLtA CLt光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 波長調(diào)制波長調(diào)制 經(jīng)過前置放大電路及鎖相放大器諧波提取，經(jīng)過前置放大電路及鎖相

37、放大器諧波提取，可得一、二次諧波信號包絡為可得一、二次諧波信號包絡為 010120011( )( )2fIIMSIBI vBI vAACL 201022( )fSIBIvA CL Vpp1SCM方案一：方案一：一次諧波檢測一次諧波檢測方案二：方案二：max2SCM二次諧波檢測二次諧波檢測光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 波長調(diào)制波長調(diào)制 一次諧波信號幅度一次諧波信號幅度Vpp1SCM光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 波長調(diào)制波長調(diào)制 二次諧波信號幅度二次諧波信號幅度max2SCM光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 諧波檢測技術諧波檢測技術(Harmonic Detection)的的理論基礎是傅立

38、葉變換理論，理論基礎是傅立葉變換理論，已被廣泛已被廣泛應用于微弱信號檢測領域應用于微弱信號檢測領域。其基本原理。其基本原理是通過頻率來調(diào)制某個依賴于此頻率變是通過頻率來調(diào)制某個依賴于此頻率變化的信號，使其覆蓋待測的特征信號，化的信號，使其覆蓋待測的特征信號，然后在數(shù)據(jù)采集處理過程中，以該調(diào)制然后在數(shù)據(jù)采集處理過程中，以該調(diào)制頻率作為鎖相放大器（頻率作為鎖相放大器（Lock-in Amplifier）的參考輸入頻率，提取出含）的參考輸入頻率，提取出含有特征信息的信號，這個信號是與該頻有特征信息的信號，這個信號是與該頻率有關的一系列諧波信息。率有關的一系列諧波信息。光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)

39、 波長調(diào)制的難點波長調(diào)制的難點 系統(tǒng)的穩(wěn)定性容易受到溫度、電系統(tǒng)的穩(wěn)定性容易受到溫度、電流波動等因素的影響，激光器波流波動等因素的影響，激光器波長也主要和溫度和電流這兩個因長也主要和溫度和電流這兩個因素有關。素有關。在近紅外區(qū)，氣體吸收線的譜線在近紅外區(qū)，氣體吸收線的譜線寬度很窄，所以，當溫度、電流寬度很窄，所以，當溫度、電流波動時激光器中心波長很難嚴格波動時激光器中心波長很難嚴格對準氣體吸收峰。對準氣體吸收峰。 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 波長調(diào)制的實現(xiàn)波長調(diào)制的實現(xiàn) 附加參考氣室與波長調(diào)制相結合的方法附加參考氣室與波長調(diào)制相結合的方法 經(jīng)過余弦調(diào)制的光通過一個參考氣室，參經(jīng)過余弦調(diào)制

40、的光通過一個參考氣室，參考氣室內(nèi)裝有濃度固定且和被測氣體種類考氣室內(nèi)裝有濃度固定且和被測氣體種類相同的氣體；相同的氣體；光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 波長調(diào)制的實現(xiàn)波長調(diào)制的實現(xiàn) 附加參考氣室與波長調(diào)制相結合的方法附加參考氣室與波長調(diào)制相結合的方法 若激光器輸出中心波長和氣體吸收峰中心波若激光器輸出中心波長和氣體吸收峰中心波長對準，理論上一次諧波為零，如果中心波長對準，理論上一次諧波為零，如果中心波長有一定偏差，就會產(chǎn)生一次諧波，這樣就長有一定偏差，就會產(chǎn)生一次諧波，這樣就可以利用一次諧波作為誤差信號，將光源波可以利用一次諧波作為誤差信號，將光源波長精確的鎖定在氣體的吸收峰上。長精確的鎖定

41、在氣體的吸收峰上。光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 波長調(diào)制的實現(xiàn)波長調(diào)制的實現(xiàn) 波長掃描與波長調(diào)制相結合的方法波長掃描與波長調(diào)制相結合的方法 三角波掃描與正弦波調(diào)制三角波掃描與正弦波調(diào)制 激光二極管的驅動電流由直流量、余弦波激光二極管的驅動電流由直流量、余弦波和三角波信號組成和三角波信號組成 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 波長調(diào)制的實現(xiàn)波長調(diào)制的實現(xiàn) 波長掃描與波長調(diào)制相結合的方法波長掃描與波長調(diào)制相結合的方法 直流量對應激光二極管的中心波長；直流量對應激光二極管的中心波長； 高頻的余弦信號，用于實現(xiàn)對激光器波長高頻的余弦信號，用于實現(xiàn)對激光器波長的調(diào)制；的調(diào)制； 低頻三角波信號用于改變

42、激光二極管的輸?shù)皖l三角波信號用于改變激光二極管的輸出波長，使其在中心波長附近進行掃描。出波長，使其在中心波長附近進行掃描。 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 波長調(diào)制的實現(xiàn)波長調(diào)制的實現(xiàn) 波長掃描與波長調(diào)制相結合的方法波長掃描與波長調(diào)制相結合的方法 特點：特點：激光二極管的中心波長不需要嚴格激光二極管的中心波長不需要嚴格的對準氣體的吸收峰，從而不需要對激光的對準氣體的吸收峰，從而不需要對激光二極管采取穩(wěn)頻措施，仍可以達到很高的二極管采取穩(wěn)頻措施，仍可以達到很高的檢測靈敏度檢測靈敏度 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 波長調(diào)制的實現(xiàn)波長調(diào)制的實現(xiàn) 波長掃描與波長調(diào)制相結合的方法波長掃描與波長調(diào)制

43、相結合的方法 0.30.350.40.450.50.550.60.650.70.7511.21.41.61.82三角波和正弦波的疊加后的波形三角波和正弦波的疊加后的波形 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)p 微弱信號檢測技術微弱信號檢測技術 微弱信號檢測是吸收型光纖氣體傳感器的關鍵技術之一。微弱信號檢測是吸收型光纖氣體傳感器的關鍵技術之一。 噪聲是限制微弱信號檢測系統(tǒng)的決定性因素，對于微弱信噪聲是限制微弱信號檢測系統(tǒng)的決定性因素，對于微弱信號檢測來說，如能有效克服噪聲，就可以提高信號檢測的號檢測來說，如能有效克服噪聲，就可以提高信號檢測的靈敏度。靈敏度。 光電探測器輸出的信號中，含有氣體濃度信息

44、的信號是淹光電探測器輸出的信號中，含有氣體濃度信息的信號是淹沒在噪聲中的微弱電信號，尤其在低濃度氣體檢測的情況沒在噪聲中的微弱電信號，尤其在低濃度氣體檢測的情況下，微弱檢測信號本身的起伏、傳感器的優(yōu)劣、放大電路下，微弱檢測信號本身的起伏、傳感器的優(yōu)劣、放大電路及測量儀器的固有噪聲以及外界的干擾噪聲等，使得有用及測量儀器的固有噪聲以及外界的干擾噪聲等，使得有用的被測信號被大量的噪聲和干擾所淹沒。的被測信號被大量的噪聲和干擾所淹沒。 微弱信號檢測的關鍵在于抑制噪聲，恢復、增強和提取有微弱信號檢測的關鍵在于抑制噪聲，恢復、增強和提取有用信號，即提高其信噪改善比。用信號，即提高其信噪改善比。光纖甲烷檢

45、測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)p 微弱信號檢測技術微弱信號檢測技術 主要方法：濾波技術、相關原理和相關檢測技術、主要方法：濾波技術、相關原理和相關檢測技術、低噪聲放大等。低噪聲放大等。相關原理：相關原理：鎖相放大器鎖相放大器（基于互相關原理）（基于互相關原理） 鎖相放大器作為一種有效地檢測微弱信號的手段鎖相放大器作為一種有效地檢測微弱信號的手段在研究中廣泛應用，它可在強噪聲及噪聲環(huán)境中在研究中廣泛應用，它可在強噪聲及噪聲環(huán)境中測量微弱慢變的光學信號，在光學測量中有重要測量微弱慢變的光學信號，在光學測量中有重要作用。作用。 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 鎖相放大器鎖相放大器用調(diào)制器將直流或慢變信號的

46、頻譜遷移到調(diào)制頻用調(diào)制器將直流或慢變信號的頻譜遷移到調(diào)制頻率處，再進行放大，以避開噪聲的不利影響；率處，再進行放大，以避開噪聲的不利影響； 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 鎖相放大器鎖相放大器利用相敏檢測器實現(xiàn)調(diào)制信號的解調(diào)過程，可以利用相敏檢測器實現(xiàn)調(diào)制信號的解調(diào)過程，可以同時利用頻率和相角進行檢測，噪聲與信號同頻同時利用頻率和相角進行檢測，噪聲與信號同頻又同相的概率很低；又同相的概率很低； 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 鎖相放大器鎖相放大器用低通濾波器而不是用帶通濾波器來抑制寬帶噪用低通濾波器而不是用帶通濾波器來抑制寬帶噪聲。低通濾波器的頻帶可以做的很窄，而且其頻聲。低通濾波器的頻帶

47、可以做的很窄，而且其頻帶寬度不受調(diào)制頻率的影響，穩(wěn)定性也遠遠優(yōu)于帶寬度不受調(diào)制頻率的影響，穩(wěn)定性也遠遠優(yōu)于帶通濾波器。帶通濾波器。 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) 鎖相放大器鎖相放大器被測信號被測信號0( )cos()( )sx tVtn t參考輸入?yún)⒖驾斎?( )cos()rr tVt0011( )( )( )cos( )cos(2)( )cos()22psrsrrutx tr tVVVVtn t Vt輸出信號輸出信號1( )cos2osru tVV光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)設計方案檢測系統(tǒng)設計方案一次諧波檢測系統(tǒng)框圖一次諧波檢測系統(tǒng)框圖光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)檢測系

48、統(tǒng)設計方案檢測系統(tǒng)設計方案一次諧波檢測系統(tǒng)框圖一次諧波檢測系統(tǒng)框圖光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)設計方案檢測系統(tǒng)設計方案一次和二次諧波檢測系統(tǒng)框圖一次和二次諧波檢測系統(tǒng)框圖光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)設計方案檢測系統(tǒng)設計方案 LDLD激光器選擇依據(jù)激光器選擇依據(jù) 鑒于光纖傳感器的結構有限，要求光源體積小，鑒于光纖傳感器的結構有限，要求光源體積小，便于與光纖耦合，所以光源模塊應具有高集成度，便于與光纖耦合，所以光源模塊應具有高集成度，便于維護，使用方便；便于維護，使用方便；激光器有足夠大的光功率輸出，特別是激光器和激光器有足夠大的光功率輸出，特別是激光器和光纖之間的耦合效率

49、要高，在長距離應用時，足光纖之間的耦合效率要高，在長距離應用時，足以保證光電檢測器能夠檢測；以保證光電檢測器能夠檢測；輸出中心頻率同甲烷氣體的吸收譜線中心輸出中心頻率同甲烷氣體的吸收譜線中心（1653.72nm1653.72nm）相吻合，激光器譜線寬度要遠?。┫辔呛?，激光器譜線寬度要遠小于氣體吸收線半寬，并且在中心頻率附近有良好于氣體吸收線半寬，并且在中心頻率附近有良好的線性調(diào)諧特性；的線性調(diào)諧特性；光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)設計方案檢測系統(tǒng)設計方案 LDLD激光器選擇依據(jù)激光器選擇依據(jù)激光器壽命長，光源工作時穩(wěn)定性好、噪聲小，激光器壽命長，光源工作時穩(wěn)定性好、噪聲小，能在室溫下

50、連續(xù)長期工作；能在室溫下連續(xù)長期工作；激光器有高速的調(diào)制相應特性，即寬帶的調(diào)制特激光器有高速的調(diào)制相應特性，即寬帶的調(diào)制特性；性；有良好的溫度特性，即激光器在工作環(huán)境溫度變有良好的溫度特性，即激光器在工作環(huán)境溫度變化時，其性能應相對穩(wěn)定。化時，其性能應相對穩(wěn)定。光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)設計方案檢測系統(tǒng)設計方案 LDLD激光器選擇依據(jù)激光器選擇依據(jù) VCSEL內(nèi)部組件及對應結構圖內(nèi)部組件及對應結構圖LD封裝及組件管殼結構圖封裝及組件管殼結構圖德國德國Vertilas公司的公司的VCSEL激光二極管激光二極管VL-1654-1-SQ-H5光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)ITVert

51、ilas-SM-VCSEL-1654nm-1654-H5激光器光電特性指標激光器光電特性指標(To=25oC)參數(shù)參數(shù)數(shù)值數(shù)值工作溫度工作溫度 ()-20 to +70存儲溫度存儲溫度 ()-20 to +85波長范圍波長范圍 (nm)1652.4-1655.6工作范圍工作范圍 (mA)1.0-10.0最大工作電壓最大工作電壓 (V)1.22最大工作電流最大工作電流 (mA)10.32電流調(diào)制系數(shù)電流調(diào)制系數(shù) (nm/mA)=0.377溫度調(diào)制系數(shù)溫度調(diào)制系數(shù) (nm/)=0.127最大輸出光功率最大輸出光功率 (mW)0.44譜線寬度譜線寬度 (MHz)30實際工作溫度為實際工作溫度為30，

52、對應的電流約為，對應的電流約為6mA光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)設計方案檢測系統(tǒng)設計方案 LD激光器選擇依據(jù)激光器選擇依據(jù)由由2cf 可得激光器的可得激光器的 為為0.000273479nm 與甲烷氣體吸收線半寬之比為與甲烷氣體吸收線半寬之比為0.018nm65.80.000273479nm激光器譜線寬度和甲烷氣體吸收線寬度相當于差兩激光器譜線寬度和甲烷氣體吸收線寬度相當于差兩個數(shù)量級，因此合理的調(diào)制激光器能夠實現(xiàn)甲烷氣個數(shù)量級，因此合理的調(diào)制激光器能夠實現(xiàn)甲烷氣體的高靈敏度檢測。體的高靈敏度檢測。光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)設計方案檢測系統(tǒng)設計方案 LD驅動控制方案驅

53、動控制方案一般通過在溫度得到控制的基礎上對一般通過在溫度得到控制的基礎上對LDLD采用電流調(diào)諧，即在采用電流調(diào)諧，即在一定直流偏置（對應中心波長）的基礎上疊加調(diào)制電流，實一定直流偏置（對應中心波長）的基礎上疊加調(diào)制電流，實現(xiàn)現(xiàn)LDLD的調(diào)制控制的調(diào)制控制 ，電路中還引入保護電路。，電路中還引入保護電路。光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)設計方案檢測系統(tǒng)設計方案 在在WMSWMS過程中，利用過程中，利用VCSELVCSEL的等效電容快速可調(diào)性的等效電容快速可調(diào)性和較寬的調(diào)諧范圍的優(yōu)勢，疊加了直流偏置、三角波和正和較寬的調(diào)諧范圍的優(yōu)勢，疊加了直流偏置、三角波和正弦波調(diào)制信號的激光輸出慢慢地掃

54、過待測氣體的吸收線，弦波調(diào)制信號的激光輸出慢慢地掃過待測氣體的吸收線，使氣體得到充分的吸收。使氣體得到充分的吸收。 LDLD驅動控制方案驅動控制方案光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) LDLD信號發(fā)生電路信號發(fā)生電路信號發(fā)生電路選用美信號發(fā)生電路選用美國國Intersil公司生產(chǎn)公司生產(chǎn)的單片精密函數(shù)發(fā)生的單片精密函數(shù)發(fā)生器芯片器芯片ICL8038，通，通過外圍的電路設計，過外圍的電路設計，它可以產(chǎn)生高質(zhì)量的它可以產(chǎn)生高質(zhì)量的正弦波與三角波。正弦波與三角波。光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) LDLD信號合成電路信號合成電路 信號發(fā)生電路信號發(fā)生電路產(chǎn)生的三角波、產(chǎn)生的三角波、正弦波信號分別正弦波

55、信號分別經(jīng)電容經(jīng)電容C2與與C5交交流耦合進疊加電流耦合進疊加電路，再經(jīng)運算放路，再經(jīng)運算放大器大器NE5532對兩對兩種信號分別進行種信號分別進行放大，通過可調(diào)放大，通過可調(diào)諧電阻諧電阻RW5、RW6將信號衰減將信號衰減到一定的大小后，到一定的大小后，用低溫漂運放用低溫漂運放OP37進行信號合進行信號合成與放大。成與放大。 光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) LDLD驅動電路驅動電路電路中電路中T1、T2、T3為同為同批次，系數(shù)一致的批次，系數(shù)一致的P型硅管型硅管。電路中的電路中的R2和和T2起保護起保護LD的作用的作用。當流過。當流過R2的電的電流高于流高于10mA，即，即R2兩端的兩端的壓

56、差為壓差為0.7V時，時，T2的基極和的基極和發(fā)射極間的發(fā)射極間的PN結導通，較結導通，較大的電流直接從大的電流直接從T2的集電極的集電極到達到達T2的基極和發(fā)射極，很的基極和發(fā)射極，很小的電流流過小的電流流過LD，從而可，從而可將流過將流過LD的電流限制在的電流限制在10mA以下，達到保護激光以下，達到保護激光器的目的。器的目的。工作中工作中LD的偏置直流電流為的偏置直流電流為6mA，其能承受的最大電流為其能承受的最大電流為10.32mA光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) LDLD溫度控制方案溫度控制方案 方案中采用兩級溫度方案中采用兩級溫度控制，即激光器外部工控制，即激光器外部工作環(huán)境（機箱

57、）溫度控作環(huán)境（機箱）溫度控制和激光器內(nèi)部組件制和激光器內(nèi)部組件TEC溫度控制相結合。溫度控制相結合。兩層溫度控制的思想可兩層溫度控制的思想可盡量減少環(huán)境溫度對激盡量減少環(huán)境溫度對激光器工作狀態(tài)的影響。光器工作狀態(tài)的影響。光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) LDLD溫度控制方案溫度控制方案 機箱溫度的采集是通過采用檢測靈敏度較高、溫度與輸出電機箱溫度的采集是通過采用檢測靈敏度較高、溫度與輸出電流成線性變化的流成線性變化的集成溫度傳感器集成溫度傳感器 AD590來實現(xiàn)的。來實現(xiàn)的。AD590將探測的機箱溫度轉化成與絕對溫度成比例的電流輸出，并將探測的機箱溫度轉化成與絕對溫度成比例的電流輸出，并與所

58、設計的與溫度相關的參考電流相比較后轉化為與溫度成與所設計的與溫度相關的參考電流相比較后轉化為與溫度成比例的電壓輸出，然后與設定的溫度比較后由加熱板或風扇比例的電壓輸出，然后與設定的溫度比較后由加熱板或風扇來執(zhí)行溫度控制，將溫度調(diào)節(jié)到所設定的溫度范圍內(nèi)。來執(zhí)行溫度控制，將溫度調(diào)節(jié)到所設定的溫度范圍內(nèi)。 機箱溫度控制框圖機箱溫度控制框圖光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) LDLD溫度控制方案溫度控制方案 半導體激光器組件包括激光二極管、半導體激光器組件包括激光二極管、熱電致冷器、溫度傳感器、熱電致冷器、溫度傳感器、PINPIN光光檢測器、熱沉等檢測器、熱沉等 。 偏置電流和信號電流經(jīng)驅動電路作偏置電

59、流和信號電流經(jīng)驅動電路作用于激光二極管，激光二極管正向用于激光二極管，激光二極管正向發(fā)射的光經(jīng)透鏡進入光纖，反向發(fā)發(fā)射的光經(jīng)透鏡進入光纖，反向發(fā)射的光經(jīng)射的光經(jīng)PINPIN光檢測器轉換進入自光檢測器轉換進入自動功率控制，同時致冷器的冷端與動功率控制，同時致冷器的冷端與激光二極管的熱沉接觸，通過埋在激光二極管的熱沉接觸，通過埋在熱沉里的熱敏電阻可以探測到激光熱沉里的熱敏電阻可以探測到激光器結區(qū)的溫度，并與設定的工作溫器結區(qū)的溫度，并與設定的工作溫度比較，將產(chǎn)生的誤差信號傳遞給度比較，將產(chǎn)生的誤差信號傳遞給PIDPID控制電路，通過控制電路改變控制電路，通過控制電路改變熱電致冷器熱電致冷器(TEC

60、)(TEC)電流的大小和流電流的大小和流向以達到加熱或致冷，保持激光器向以達到加熱或致冷，保持激光器工作溫度的恒定。工作溫度的恒定。背向檢測器熱敏電阻半導體制冷器TEC激光二極管光纖輸出半導體激光器組件構成半導體激光器組件構成光纖甲烷檢測系統(tǒng)光纖甲烷檢測系統(tǒng) LDLD溫度控制方案溫度控制方案 內(nèi)層是采用以溫度為反饋量的閉環(huán)控制模式，以半導體制冷內(nèi)層是采用以溫度為反饋量的閉環(huán)控制模式，以半導體制冷（TEC）作為溫度控制的執(zhí)行器件。）作為溫度控制的執(zhí)行器件。 內(nèi)層溫度控制是通過組件熱敏電阻將內(nèi)層溫度控制是通過組件熱敏電阻將LD的溫度反饋到輸入的溫度反饋到輸入端，經(jīng)與設計溫度比較、端，經(jīng)與設計溫度比