一種光譜吸收式光纖甲烷氣體檢測系統設計

李永萍

華為海洋網絡有限公司

一種光譜吸收式光纖甲烷氣體檢測系統設計

李永萍

華為海洋網絡有限公司

甲烷是一種易燃、易爆氣體，是礦井瓦斯和多種液體燃料的主要成分，及時準確地檢測甲烷濃度對工礦安全生產和環境監測有著極其重要的意義。光纖氣體傳感技術是一種高靈敏度的氣體檢測技術。本文以甲烷濃度檢測為目的，進行基于近紅外吸收原理的光纖甲烷氣體傳感檢測系統的研究，給出了實際甲烷檢測系統的具體組成并分析了其靈敏度指標。

近紅外吸收；光纖傳感；甲烷

甲烷是一種易燃易爆氣體，是井下瓦斯主要成分，約占83~89%。甲烷與空氣混和，按體積計算，甲烷濃度在5.3%—15.0%時具有爆炸性。因此對于甲烷的準確檢測對于安全生產的意義是毋庸置疑的。

1 光纖甲烷檢測基本原理

用于氣體濃度測量的二次諧波理論是與波長調制技術結合在一起的。而實現波長調制技術的前提是氣體光譜吸收理論。由于氣體分子只能吸收那些能量正好等于它的某兩個能級能量之差的光子能量，即：ΔE=hv，因此，不同分子結構的氣體會因為其結構所決定的不同能級而吸收不同頻率的光子，這就是氣體分子的選擇吸收[1][2]。因此當檢測到某種特定波長的光被吸收了，就標志某種特定的氣體存在。

甲烷分子具有4個固有的振動[3]：v1= 2913.0cm，v2= 1533.3cm，v3=30189cm，v4=1305.9cm，它們所對應的波長分別為3.43μm，6.53μm，3.31μm和7.66μm在近紅外區，有許多泛頻帶和聯合帶。文獻[4]報道了甲烷氣體在1.33μm、1.67μm和3.31μm處，吸收線強度之比約為1：5：1000。可見，在甲烷在中紅外區域的吸收線強度遠遠超過它在近紅外區域的吸收線強度。

2 光纖甲烷檢測系統設計

2.1 總體方案設計

光纖甲烷檢測系統總體分為五個部分：激光發生器，激光發生器驅動部分，氣室，光路和檢測顯示部分。其原理框圖見圖2-1。其中的激光發生器選擇市面上現有的成品激光二極管。激光二極管的驅動分為信號發生和實際驅動兩部分，均采用已有的信號源和激光管驅動器。檢測部分為避免自制分立元件的誤差而采用SR830型數字鎖相放大器。顯示部分和總體控制采用TI公司的430微控制器。下面將分別簡要介紹各部分。

2.2 半導體激光器

半導體激光器是一種相干輻射光源，大多采用InGaAsP/InP雙異質結，是目前比較成熟的一種激光器。要使其滿足相干輻射，必須滿足三個基本條件：(1)建立起激射媒質(有源區)內載流子的反轉分布。(2)有一個合適的諧振腔使受激輻射在其中得到多次反饋而形成激光振蕩。(3)為了形成穩定振蕩，激光媒質必須能提供足夠大的增益，使光增益等于或大于各種損耗之和。這就要求足夠強的電流注入，必須滿足一定的電流閾值條件。本設計采用了由美國THORLABS公司生產的中心波長在1654nm的連續可調諧VCSEL二極管激光器(型號為VCT16545)進行實驗。

2.3 半導體激光器驅動部分

在檢測實驗中，光源驅動部分是通過在函數發生器上設置需要調制的波形，頻率，幅值等參數，然后把信號加到激光二極管驅動器上，再通過其驅動對激光器輸出被調制的激光信號。在整個電路設計中，使用了美國Tektronix公司生產的型號為AFG3252雙通道函數發生器來完成調制波形信號的選擇和輸出。

激光二極管驅動器在實驗中采用了美國ILX Lightwave公司的LDC-3908八通道激光二極管驅動器，對激光二極管進行溫度和電流的控制，其中前六個通道用于對不同的半導體激光器的電流進行控制，后兩個通道是對其進行溫度的控制。

2.4 氣室的選擇

氣室設計的主要原則是：一是吸收光程盡可能大；二是氣室中光路的耦合損耗小，耦合狀態穩定；三是產生的噪聲小。本設計選擇小型漸變折射率透鏡構成的氣室。小型漸變折射率透鏡構成的氣室，這種透鏡器件和光纖匹配性好，傳輸光纖和透鏡尾纖可以直接熔接在一起，改善了耦合的穩定性問題。

圖2-1 系統總體框圖

2.5 激光光束準直透鏡

VCSEL半導體激光器有一定的激光光束發散角。光纖準直器是光纖通信系統和光纖傳感系統中的基本光學器件，它由1/4節距的自聚焦透鏡和單模光纖組成，其用途是對光纖中傳輸的高斯光束進行準直，以提高光纖與光纖間的耦合效率。本設計選用的光纖準直器是普林公司的CLC1600-13FC型，它的波長范圍是532-1660nm，光束大小為：4mm。

2.6 光電轉換二極管

光電探測器是光纖甲烷檢測系統電路的基本組成部分，需要完成樣品光和參考光的光電轉換，需要在1650nm附近波長范圍具有高靈敏度、低系統附加噪聲和足夠的響應速度。設計中采用DInGaAs1700銦鎵砷探測器。它對波長1.6μm附近的光吸收強烈，具有靈敏度高，響應速度快等特點。該探測器在波長1650nm處有較高的響應度，為0.95A/W。

2.7 電信號的檢測

無論對光源進行強度調制還是頻率調制，最后經光電探測器后都變換成交流的電信號。但是由于甲烷在近紅外波段吸收比較弱，且影響測量的噪聲很多，因此需要用鎖相放大技術在噪聲中提取微弱的交流信號。本設計中用到提取微弱信號的儀器為SR830型數字鎖相放大器。SR830型數字鎖相放大器有兩個相敏檢波輸出，可以準確測量待測信號的幅值而不受相位差的影響，還可以測量待測信號和參考信號之間的相位差。

3 光線甲烷檢測系統指標與分析

3.1 系統的靈敏度

靈敏度是指傳感器的輸出增量與被測輸入量增量之比。在本系統中為出射光強變化與氣體濃度變化的比值。根據Beer-Lambert定律，且由于在近紅外波段，氣體的吸收系數很小，滿足，這樣就可以運用近似公式：

系統靈敏度為：

在本實驗系統中，VCSEL光源輸出光強為1.1mw，氣室長度選定為L=7.8 cm，甲烷在1653.7nm處的吸收系數為7.8，由式(3-3)可以得出甲烷濃度引起的光功率的變化為0.0067 μw/ ppm。

3.2 測量中的問題

由激光器輸入電流與輸出電壓關系曲線可知，在一次諧波幅度和二次諧波幅度采集的過程中，一次諧波幅度和二次諧波幅度不僅受到輸入正弦波電流大小的調制，同時三角波信號在掃頻的同時也相應的控制了輸出激光器的光功率。這樣在理想的一次諧波幅度和二次諧波幅度曲線上，又增加了輸出功率改變這樣一種噪聲。

得到中心頻率處一次諧波幅度和二次諧波幅度后，只需進行簡單的除法和代數運算，就可以得出甲烷的濃度。如何獲得一次諧波幅度和二次諧波幅度，下面介紹幾種方法。

(1)將采集到的二次諧波幅度進行比較，幅度最大值處就是中心頻率點，將改點對應的一次諧波幅度和二次諧波幅度提取出來，進行計算。

(2)二次諧波幅度提取方法同上。一次諧波幅度則通過對采集到的一次諧波幅度進行比較，將幅度最大值和最小值提取出來，取其中間值作為中心頻率點處一次諧波的幅值。

(3)二次諧波幅度提取方法同上。一次諧波幅度則通過對采集到的一次諧波幅度進疊加，將計算的平均值作為中心頻率點處一次諧波的幅值。

以上3種方法全部基于中心頻率處一次諧波幅度和二次諧波幅度特點。其中方法(1)簡單實用，而且可以忽略掉前面所說的功率引起的測量結果改變的因素。而方法二和方法三克服了對幅度采樣過程中單個采樣點(如中心頻率處)產生較大誤差的影響。但是對于功率引起的測量結果改變沒有解決，甚至會放大這種影響。

[1] A.V.Gladyshev，M.I.Belovolov，S.A.Vasiliev et al.Tunable singlefrequency diode laser at wavelength λ=1650nmfor methane concentration measurements[J]. Spectrochimica Acta Part A 60.2004.p3337-3340.

[2] 郭栓運.差分光譜光纖氣體傳感器的基本原理[J].應用光學，1989. No.6

[3] 曹茂永，張逸芳，張士昌等.吸收光譜式光纖瓦斯傳感器的參數設計[J].煤炭學報.June1997.Vol.22，No.3