差分吸收式甲烷气体传感系统的研究

Abstract In o rder t o co mpensat e the e rror caused by non-sensi ng facto rs of t he met hane gas senso r sy st em , an optic f iber senso r sy st em based on dif fe rential abso rption technique w as desig ned. T he sy stem im plem ent s dif ferential absorption det ectio n w it h si ng le o pt ical pa th usi ng a low-co st 1. 33 μm L ED as light source and ut ilizing a rot ating dual w aveleng th optical f ilt er to sw it ch the needed w aveleng ths. T he dif ference o f tw o lig ht paths and t he dri ft error caused by tw o pho toelect ric detecto rs in dual o pt ical path sy st em are eliminated completely. T heo ret ical and experim ent al result s prove t hat the pro posed met ho ds i mprove t he sensitivit y and stabi li ty of the sy stem ef fectively. Key words optical fiber m ethane diff erenti al absorptio n dual w aveleng th
系的常数 , 它由标定法得到 , 取不同浓度的甲烷气体进行
测量 , 用线性回归的方法求得 。
5 实验与误差
4 标 定
系统中 , 为了消除杂散光的干扰 , 克服工频干扰的影
响 , 避开 1 / f 低频噪声 , 将光源经方波调 制 , 并将该方波
作为锁相放大器的参考信号 , 设 Vi (t)和 V r(t)分别为要 提取的微弱有用信号和参考信号 , 2 者均为方波信号 , 基
频为 ω0 , 用 ±V i 和 ±Vr 分 别表示被测信号方波 的幅度 及参考信号方波的幅度 ,则锁相放大器的输出为[ 7] :
图如图 1 所示 。 系统中 LED 光源由方波调制 , 由于公用 一个光源 , 完全消除了电流抖动造成的误差 , 采用单光路 使得双光路系统中双光路差 异引起的误差完全消除 , 单 探测器消除了双光电器件热零点漂移的误差 。
图 1 差分吸收光纤 CH4 传感测量系统框图 旋转滤光片结构如图 2 所示 , 设计一滤光片盘 , 盘上 布有 2 片滤光片 , 中心波长分别对应 λ1 和 λ2 。 在滤光片 F2 上设计一狭缝调节装置 , 用于调节光路强度 。 滤光片 的切换采用三相反应式步进 电机驱动 , 由单片机高速输 出口发出三相脉冲 , 驱动步进电机转动 , 实现滤光片的交 替转换进行波长切换 。
引起的误差及分束后 2 路光的分光比的不确定度带来的 影响无法消除 , 而且分束器的光路系统设计 使系统光路 复杂 ;由于单一光源的光被分为 2 束 , 从而使检测气体的 光功率降低 , 甲烷在 1. 3 μm 附近的吸收相对较弱 , 显然 降低了测量系统的 灵敏度 , 作为改进可以用 2 个同型号 的 LED 作为光源 的测量系统[ 3] , 但 2 个 LED 性 能不可 能完全一致 , 且双光路的差异无法消除 。 因此 , 本文设计 了基于单光源单光路 、单探测器的差分传感系统 , 结构框
校 , 易受其他气体的干扰 , 其 可靠性及稳定性均较差 , 而 光谱吸收法目前 技术相对成熟 。 近年来 , 由于光纤及光 电探测技术的发展 , 光纤可以实现信号的长距离传输 , 而 且光纤传感所用的光功率较低 , 相对安全 , 所以传感头可 以放入恶劣环境中(如有毒 、高温及易燃易爆气体), 对现 场实 现实 时遥 测 , 实现 在易 燃易 爆 等场 合的 本安 测量[ 2-6] 。
摘要 为了补偿甲烷传感系统的非传感因素引起的误差 , 设计了基于 差分吸收 技术的光纤 传感系统 。 系统以 廉价的 1. 33 μm 波段的 L ED 为光源 , 利用旋转双波长滤 光片进行波长切换 , 用单光路实现差分吸收检测 , 完全消除了双光路系统中双光 路的差 异和双光电探测器件的漂移等引起的误差 。 理论和实验证明 , 这些措施有效地提高了系统的灵敏度和稳定性 。 关键词 光 纤 甲 烷 差分吸收 双波长 中图分类号 T P212 T P 274 文献标识码 A 国家标准学科分类代码 460. 4030
∫ u0 (t)
=
1 T
T
lim
T→∞
V i(t)Vr(t)dt
0
(5)
式中 :T 为积分器的时间常数 , 当 T 足够大时 , 式(5)中的
积分结果为 Vi (t)V r(t)的平均值 , 输出 u0 (t)正比于被测 信号的幅度 V i , 而且与 2 者的相位差 θ有关 , 当调整 θ=0 时 , u0 (t)=Vi V r 为最大值 , 即在锁相放大器 的输出端得 到一个取决于输入信号幅度的直流输出 。
光路的干扰因素 , 同时还消除了光源输出光 功率不稳定
的影响[ 3-4] 。
3 差分吸收光纤传感系统
3. 1 系统结构 甲烷气体分子合频 v2 +2v3 位于 1. 3 μm 附近 , 采用
1. 3 μm 波段 LED 光源设计甲烷 气体的浓度 检测系统 。 利用单光源双光路实现的气体差分浓度 检测系统 , 可以 有效地消除光源功率波动 , 但光纤传输损耗 变化等因素
待测气体与光相互 作用的 长度 ;β(λ)为光 路干扰 系数 ;
K(λ)为比例系数 。
由于 λ1 、λ2 相差很 小 , 光几乎 同时接 近和通过 待测 气体 , 可以认为 β(λ1 )=β(λ2 )。
调节光学系统 , 使 :
K(λ1 )I0 (λ1 )=K(λ2)I0 (λ2 )
(3)
可以得到气体浓度为 :
Study on methane gas sensor system based on difference absorption
W ang Y anju1 , 2 Wang Y ut ian1 Z hang Y uy an1
1 (I nstitute o f electric engineering ,Y anshan University , Qinhuang dao 066004 , China) 2 (Department o f electronic engineering , Hebei N ormal Univ ersity , Shij iaz huang 050031 , China)
本文基于光谱吸收的检测原理 , 利用通用的 LED 宽 带光源和光纤构成了低浓度 甲烷气体监测系统 , 光源经 双波长旋转滤光片进行波长 切换 , 实现双波长单光路的 甲烷浓度差分吸收监测 。
* 本文于 2006 年 3 月收到 , 系河北省博士基金(03547020D)资助项目 。
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仪 器 仪 表 学 报
第2 7卷
2 气体差分吸收光纤传感机理
气体的差分吸收检测方法是用波长 分别为 λ1 和 λ2 的单色光 , 同时或相差很短时间内通过待测气体 , 其中波
长 λ2 的光不被吸收作为参考波长 , 与吸收波长的光做差 分和除法处理 , 从而有效消除由光源 、光纤和传感头的不

稳定和变化所引起的测量 误差 , 提高检 测的灵敏度[ 3-5] 。
令:
I1 =μV1 I2 =μV2
(6)
式中 :μ为标定因子 , V1 和 V2 分别对应于探测器接收到
光强 I1 和 I2 时锁相放大器的输出电压 , 由式(4)可得 :
C
=[
1 α(λ1) - α(λ2)]
l
V 2 - V1 V2
=k
V2 - V 1 V2
(7)
式中 :k 为与检测系统的气路长度 、甲烷的吸收系数有关
第 12 期
王艳菊 等 :差分吸收式甲烷气体传感系统的研究
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图 3 气室外形结构图
转到中心波长 λ1 的滤光片 , 此时吸收光路工作 , A /D 转 换器采集吸收光路输出信号 , 微处理器对采 集到的信号 进行计算 , 得 到检测 气体的浓 度值 , 送 到液晶 显示 模块 显示[ 7-9] 。
1 引 言
甲烷是易燃易爆气体 , 是煤矿生产中的主要 有害气 体之一 。在矿井中 , 甲烷气体聚集在顶棚附 近和冲集物 当中 , 这些地方并不适合安装通常的甲烷探测器 , 所以只 能利 用 远 距 离 探 测 的 方 法 实 现 对 甲 烷 气 体 的 实 时 监测[ 1-3] 。
目前甲烷检测的方法主要有 2 类 :一类利用 甲烷浓 度和光的折射率的关系用干涉法测量 , 另一 类利用甲烷 气体的光谱吸收检测甲烷浓度 。干涉型传感器需经常调
第 27 卷 第 12 期 2006 年 12 月
仪 器仪 表 学报
Chinese Jo urnal of Scientific Instr ument
V ol. 27 N o. 12 Dec. 2006
差分吸收式甲烷气体传感系统的研究*
王艳菊1 , 2 王玉田1 张玉燕1
1(燕山大学电气工程学院 秦皇岛 066004) 2(河北师范大学电子工程系 石家庄 050031)
图 2 旋转滤光片盘外形结构 系统中 ,测量气室是敏感元 件 , 它由输入 /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 。 气室的设计必须 考虑光纤和光学元件的耦合 问题 , 针对分立光学元件准 直复杂 , 温度稳定性 、抗震性 能不佳等问题 , 应用小型渐 变折射率透镜 , 即自聚焦 透镜 , 这种透镜与光纤匹配 好 , 且传输光纤与透镜尾纤可直接熔接 ,改善耦合的稳定性 。 2 个自聚焦透镜相 隔 40 cm , 准直后固定在铝条上 , 置于 气室中 , 气室 有进 气口 、出气 口 。 气室 外形 结构 如图 3 所示 。 3. 2 系统工作过程 系统采用低 功耗 、高性 能的 CM OS8 位微 处理芯片 A T89C52 作为控制和计算中 心 , 控制步进电 机转位 , 带 动旋转滤光片盘 。 当步 进电机转位使 中心波长 λ2 的滤 光片对准光路时 , 停止转动 ,光电探测器接收到参考波长 的光信号 , 经锁相放大器电路处理得到直流电压信号 , 微 处理器启动 A /D 转换器 , 得到非吸收光 路的输出信 号 , 保存在储存单元内 ;步进电机在单片机控制下继续转动 ,