CN104062261A - 基于宽谱光源和谐波检测技术的气体浓度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于宽谱光源和谐波检测技术的气体浓度测量方法。由宽带光源1、环形器2、悬臂梁3、光纤光栅4、永久磁铁5、电磁线圈6、信号发生器7、气室8、光电探测器9、锁相放大器10及计算机11组成。其特点是：永久磁铁在正弦电信号的作用下带动悬臂梁发生摆动，从而调制光纤光栅的中心反射波长，调制后的窄带光信号进入气室并被其中的待测气体吸收而发生衰减，然后光信号由光电探测器转换为电信号后进入锁相放大器进行二次谐波信号的采集。根据锁相放大器的输出值即可推算出待测气体的浓度大小，实现一种低成本、高精度且高灵敏度的气体浓度测量方法。实验结果表明，该系统用于乙炔气体浓度测量时，灵敏度可达0.95μV/ppm，分辨力可达10.5ppm。
Description
本发明涉及一种基于宽谱光源和谐波检测技术的气体浓度测量方法，属于光电检测技术领域。
背景技术
近几十年来，伴随着工业的发展，飞速兴起了数以万计的能动力工厂和矿业部门，它们排放出的大量有毒有害甚至易燃易爆的气体严重污染了人类的生存环境和生活空间[文献1. G. Schurmann, K. Schafer, C. Jahn, et al. The impact of NOx, CO and VOC emissions on the air quality of Zurich airport[J]. Atmospheric Environment, 2007, 41(1): 103-118.]。而对某些有毒有害气体，必须要求能检测到非常低的浓度[文献2. G. Dooly, E. Lewis, C. Fitzpatrick, et al. Low concentration monitoring of exhaust gases using a UV-based optical sensor[J]. IEEE Sensors Journal, 2007, 7(5-6): 685-691.]。因此，实现对气体浓度的快速、实时、高精度、高灵敏度的检测具有非常重大的意义。
光谱吸收型光纤气体传感器是光谱分析技术与现代光纤传感技术相结合的产物，它利用待测气体在近红外波段对光信号的选择性吸收特性来反演气体的种类和浓度。由于不同气体的分子结构互不相同，它们的吸收光谱亦不相同，这样可以有效降低交叉干扰等问题的影响。而且在测量过程中只需要改变输入光波长，使其对准其它气体的吸收峰，就可以用同一个系统来测量不同气体的浓度，所以光谱吸收型光纤气体传感器具有很好的气体选择性和鉴别性,是目前研究的最多并且最接近于实用化的一种气体浓度测量装置[文献3. 郑龙江，李鹏，秦瑞峰，等. 气体浓度检测光学技术的研究现状和发展趋势[J]. 激光与光电子学进展，2008，48(5)：24-32.]。但是由于每种气体的单个吸收谱宽仅为0.2nm左右，这样就会导致待测气体吸收的光信号非常微弱，甚至会被淹没在噪声中，因此在实际测量（尤其是低浓度气体测量）中很难使用宽谱光源来准确地测量待测气体的浓度。此外，其它杂质气体的吸收、光源功率的波动、外界环境对系统光路的干扰、光电探测器件自身的噪声、光纤传输特性的干扰等，都会不同程度地降低气体浓度测量的准确度和灵敏度。而且，这些影响都具有随机性，会对测量造成非常严重的误差，这就需要研究不同的检测技术来消除这些因素的影响[文献5. K. Liu, T. G. Liu, G. D. Peng, et al. Theoretical investigation of an optical fiber amplifier loop for intra-cavity and ring-down cavity gas sensing[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2010, 146: 116-21. 文献6. B. Wang, G. Somesfalean, L. Mei, et al. Detection of gas concentration by correlation spectroscopy using a multi-wavelength fiber laser[J]. Progress in Electromagnetics Research, 2011, 114: 469-79]。其中最有效的一项检测技术是基于可调谐激光器的波长调制技术[文献7. M. B. Frish, R. T. Wainner, M. C. Laderer, et al. Standoff and miniature chemical vapor detectors based on tunable diode laser absorption spectroscopy[J]. IEEE Sensors Journal, 2010, 10: 639-46.]，利用锁定检测法，对传输光信号的频率进行周期性调制和解调，从而避免了噪声和杂散光的影响，可实现对微量气体的高灵敏度检测。但是可调谐激光器价格较高且其工作波长范围有限，所以如此昂贵的测量系统仅能用于测量某几种甚至是某种固定的气体。
本发明提出用低成本的宽谱光源结合FBG滤波器取代可调谐激光器，并利用波长调制技术实现了一种低成本、高精度且高灵敏度的气体测量方法。以乙炔气体浓度测量为例，搭建了一个光纤乙炔气体测量系统，并实现了10.5ppm的测量精度。通过调节FBG的反射中心波长，这种新型的测量装置还可直接用于其他气体浓度的测量。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明的目的在于解决传统光纤气体传感器中测量精度不高以及价格昂贵的问题，提出一种成本低、灵敏度高、精度高、且测量范围大的新型气体浓度测量方法。
（二）技术方案
为了达到上述目的，本发明提出一种基于宽谱光源和谐波检测技术的气体浓度测量方法，其特征在于：宽带光源1发出的宽带光信号由环形器2输出进入粘贴于悬臂梁3上的光纤光栅4，同时将永久磁铁5粘贴于悬臂梁3下端的自由端，放置在永久磁铁5两端的电磁线圈6在受到信号发生器7发出的正弦信号作用下，会产生一个交变磁场并作用在永久磁铁5上，带动悬臂梁的摆动，从而使光纤光栅4所受的应变发生相应的调制，这样从光纤光栅4反射回来的窄带光信号的中心波长就会受到正弦调制，经过调制后的窄带光信号进入气室8并被其中的待测气体吸收而发生衰减，衰减后的光信号由光电探测器9转换为电信号后进入锁相放大器10进行二次谐波信号的采集，最后由计算机11对锁相放大器的输出信号进行采集、处理与显示。
上述方案中，所述的宽谱光源1为ASE光源，波长范围为1525nm至1565nm，输出光功率为100mW；所述的光纤环形器2的工作波长为1550nm；所述的信号发生器7的输出频率为40Hz，调制幅度为2V，输出信号为正弦信号；所述的光电探测器9的工作波长范围为1100nm至1700nm，响应度为0.96A/W，暗电流小于1.0nA；所述的锁相放大器10的时间常数设置为1ms，灵敏度设置为1V，输入的参考信号频率为80Hz，调制幅度为4V。
上述方案中，所设计的方法用于乙炔气体测量时，所述的光纤光栅4的中心工作波长选为1531.59nm（对准乙炔气体的吸收峰波长），带宽为0.18nm；通过调节光纤光栅的反射中心波长，使其对准其它气体的吸收峰波长，所述的测量方法即可直接用于其他气体浓度的测量。
上述方案中，所述的永久磁铁5的半径为5mm，磁感应强度为0.58mT；所述的电磁线圈6的内径为10mm，外径为35mm，长度为30mm，电阻值为0.13Ω，电感值为22.6mH；所述的悬臂梁3为等腰三角形结构，长度为20cm，厚度为0.15cm，底边宽度为4cm，由碳纤维板制成，光纤光栅沿悬臂梁中心轴线粘贴，当悬臂梁顶端（即自由端）受到应变时，光纤光栅各点所受应变相等；所述的气室8由不锈钢材料制成，气室长度为25cm，气室两侧由两片光学石英玻璃片组成，该玻璃片对近红外波段的光透过率可达90%以上。
（三）有益效果
从上述技术方案可以看出， 本发明提出的这种基于宽谱光源和谐波检测技术的气体浓度测量方法具有以下有益效果：（1）测量系统设计新颖、成本较低、实用性强；（2）只需改变FBG的中心工作波长即可实现对任意气体浓度的高精度、高灵敏度测量。
附图说明
图1为本发明提出的基于宽谱光源和谐波检测技术的气体浓度测量系统结构示意图；
图2为本发明设计的波长调制模块结构示意图；
图3为利用本发明测得的系统输出电压与乙炔气体浓度之间的关系曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的具体结构、原理、测量过程以及传感特性作进一步的详细说明。
图1所示为本发明提出的基于宽谱光源和谐波检测技术的气体浓度测量系统结构示意图。宽带光源ASE发出宽带光由环形器端口A进入环形器，再从环形器端口B输出进入滤波用光纤光栅，该光纤光栅粘贴于一个等腰三角形悬臂梁的中心轴线上。由于光纤光栅的滤波作用，宽带光进入光纤光栅后，只有满足一定条件的窄带光会被反射回来，再由环形器的端口B进入环形器，且光纤光栅反射光的中心波长会随光纤光栅所受应变的变化而变化。本发明将永久磁铁粘贴于悬臂梁顶端（即，自由端），放置在永久磁铁两端的电磁线圈在受到信号发生器发出的正弦信号作用下，会产生一个交变磁场并作用在永久磁铁上，从而使光纤光栅所受的应变发生相应的调制，这样光纤光栅的反射波长就会受到正弦调制。被调制后的光进入环形器后由环形器端口C输出进入气室8，并被其中的待测气体吸收而发生衰减，衰减后的光信号由光电探测器转换为电信号后进入锁相放大器进行二次谐波信号的采集，最后由计算机对锁相放大器的输出信号进行采集，处理与显示。
在本发明中，沿三角形悬臂梁轴线方向上的应变大小为：
(1)
式中，F为悬臂梁自由端受力的大小，E为悬臂梁材料的弹性模量，L为悬臂梁长度， b 0为悬臂梁固定端的宽度， h为悬臂梁厚度。
在应变的作用下，光纤光栅反射中心波长的中心偏移量为：
(2)
其中，为光纤光栅的有效弹光系数，对于典型的石英光纤=0.22。为光纤光栅不受外力作用时的中心波长。
通过分析永久磁铁所受通电螺线圈的受力物理模型，可得悬臂梁自由端受力大小：
(3)
式中，i为通入螺线圈的电流大小；当通电螺线圈参数固定时，K为常数。
由式(2)和式(3)可得，光纤光栅中心波长的偏移与螺线圈中注入电流i呈线性关系，因此对螺线圈注入电流进行正弦调制后，即，光纤光栅的中心波长也会受到正弦调制，即：
(4)
这样便实现了光源中心波长的调制。
宽谱光经过光纤光栅反射回来的窄带光强大小为：
(5)
式中为光纤光栅反射谱的半高宽，I 0为光纤光栅中心波长处的光强大小。
根据气体分子在近红外波段的选择性吸收理论，每种气体分子都有固定的吸收谱。若光纤光栅反射出来的光谱覆盖一个或多个气体的吸收谱线，光信号通过气体后其光强就会发生衰减。输出光强I与输入光强I 0之间的关系服从朗伯-比尔定律：
(6)
其中表示气体的吸收系数，单位cm-1；C为被测气体的体积浓度；l为气体吸收长度，单位cm。从式(2)可以看出，通过对输入输出光强的分析，就可进行气体的定性和定量分析。
在常温常压下，近红外光谱主要以碰撞展宽为主，受多普勒展宽的影响不大。因此气体分子的吸收线型可用洛伦兹曲线进行描述：
(7)
其中，为气体在波长处的吸收峰值，为吸收谱线的中心波长，本发明设计，为吸收谱线的半高宽度。
将式(4)、式(5)和式(7)带入式(6)可得：
(8)
式中，M为常数，，。
由式(8)可以看出调制频率的基波以及各次谐波的幅值都和气体浓度成正比关系，因此通过各次谐波幅值的检测均可以得到气体浓度，该方法可以减少系统的随机噪声干扰，提高系统的信噪比。但是，在实际应用中，奇次谐波系数在气体吸收峰波长的左右是不对称的，而偶次谐波系数的在气体吸收峰波长附近是具有对称性。当光纤光栅反射谱中心波长对准气体吸收峰值波长时，奇次谐波系数的值为零，而偶次谐波系数的值最大。高次谐波具有更高的稳定性，检测高次谐波更容易对低频噪声进行抑制，但是谐波次数越高，谐波系数的幅值会越小，灵敏度也就越低，同时，由于电路设计中太高的谐波检测电路不易实现，高次谐波的谐波的测量会加重锁相放大电路的负担，目前的锁相放大电路基本都会满足二次谐波测量的要求。所以，本发明选择检测二次谐波来实现气体浓度的测量。
根据前面的分析，设计波长调制装置中，圆形永久磁铁的半径为5mm，磁感应强度为0.58mT。通电螺线圈内径为10mm，外径为35mm，长度为30mm。最终制作出的线圈，电阻值为，电感值为22.6mH。等腰三角形悬臂梁采用碳纤维板制成，其长度为20cm，底边宽为4cm，厚度为1.5mm。以该系统用于乙炔气体浓度测量为例，光纤光栅的中心工作波长选在乙炔气体的吸收峰波长1531.6nm处，其反射率为91%，3dB带宽为0.18nm。
在进行乙炔气体浓度测量实验时，设置信号发生器输出频率为40Hz、调制幅度为2V的正弦信号，设置锁相放大器的时间常数设置为1ms，灵敏度为1V，输入的参考信号频率为80Hz、调制幅度为4V。分别向测量气室中冲入浓度为1000ppm到6000ppm范围内的乙炔气体，浓度每变化1000ppm，记录一次锁相放大器的输出电压值，并对其进行数据处理。得到乙炔气体浓度C与系统输出电压U之间的关系曲线如图2所示，对其进行最小二乘法拟合可以得到的两者之间的函数关系为：
U=0.95×10-6 C-0.85 (9)
从拟合结果可以看出，系统输出值与乙炔气体浓度之间具有很好的线性关系（R2=0.9873），所设计的系统可很好的用于气体浓度测量。
由于本系统所采用的锁相放大器能分辨的最小电压变化量为0.01 mV，由此可得系统的分辨力为。同样，由式(9)可得，测量系统在稳态下输出量的增量与输入量的增量之比（即灵敏度）为：。
Claims (4)
1.基于宽谱光源和谐波检测技术的气体浓度测量方法，其特征在于：宽带光源1发出的宽带光信号由环形器2输出进入粘贴于悬臂梁3上的光纤光栅4，同时将永久磁铁5粘贴于悬臂梁3下端的自由端，放置在永久磁铁5两端的电磁线圈6在受到信号发生器7发出的正弦信号作用下，会产生一个交变磁场并作用在永久磁铁5上，带动悬臂梁的摆动，从而使光纤光栅4所受的应变发生相应的调制，这样从光纤光栅4反射回来的窄带光信号的中心波长就会受到正弦调制，经过调制后的窄带光信号进入气室8并被其中的待测气体吸收而发生衰减，衰减后的光信号由光电探测器9转换为电信号后进入锁相放大器10进行二次谐波信号的采集，最后由计算机11对锁相放大器的输出信号进行采集、处理与显示。
2.如权利要求1所述的基于宽谱光源和谐波检测技术的气体浓度测量方法，其特征在于：所述的宽谱光源1选用ASE光源，波长范围为1525nm至1565nm，输出光功率为100mW；所述的光纤环形器2的工作波长为1550nm；所述的信号发生器7的输出频率为40Hz，调制幅度为2V，输出信号为正弦信号；所述的光电探测器9的工作波长范围为1100nm至1700nm，响应度为0.96A/W，暗电流小于1.0nA；所述的锁相放大器10的时间常数设置为1ms，灵敏度设置为1V，输入的参考信号频率为80Hz，调制幅度为4V。
3.如权利要求1所述的基于宽谱光源和谐波检测技术的气体浓度测量方法，其特征在于：用于乙炔气体测量时，所述的光纤光栅4的中心工作波长选为1531.59nm（对准乙炔气体的吸收峰波长），带宽为0.18nm；通过调节光纤光栅的反射中心波长，使其对准其它气体的吸收峰波长，所述的测量方法即可直接用于其他气体浓度的测量。
4.如权利要求1所述的基于宽谱光源和谐波检测技术的气体浓度测量方法，其特征在于：所述的永久磁铁5的半径为5mm，磁感应强度为0.58mT；所述的电磁线圈6的内径为10mm，外径为35mm，长度为30mm，电阻值为0.13Ω，电感值为22.6mH；所述的悬臂梁3为等腰三角形结构，长度为20cm，厚度为0.15cm，底边宽度为4cm，由碳纤维板制成，光纤光栅沿悬臂梁中心轴线粘贴，当悬臂梁顶端（即自由端）受到应变时，光纤光栅各点所受应变相等；所述的气室8由不锈钢材料制成，气室长度为25cm，气室两侧由两片光学石英玻璃片组成，该玻璃片对近红外波段的光透过率可达90%以上。
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