一种光谱吸收式光纤甲烷气体检测系统设计

李永萍

华为海洋网络有限公司

一种光谱吸收式光纤甲烷气体检测系统设计

李永萍

华为海洋网络有限公司

甲烷是一种易燃、易爆气体，是矿井瓦斯和多种液体燃料的主要成分，及时准确地检测甲烷浓度对工矿安全生产和环境监测有着极其重要的意义。光纤气体传感技术是一种高灵敏度的气体检测技术。本文以甲烷浓度检测为目的，进行基于近红外吸收原理的光纤甲烷气体传感检测系统的研究，给出了实际甲烷检测系统的具体组成并分析了其灵敏度指标。

近红外吸收；光纤传感；甲烷

甲烷是一种易燃易爆气体，是井下瓦斯主要成分，约占83~89%。甲烷与空气混和，按体积计算，甲烷浓度在5.3%—15.0%时具有爆炸性。因此对于甲烷的准确检测对于安全生产的意义是毋庸置疑的。

1 光纤甲烷检测基本原理

用于气体浓度测量的二次谐波理论是与波长调制技术结合在一起的。而实现波长调制技术的前提是气体光谱吸收理论。由于气体分子只能吸收那些能量正好等于它的某两个能级能量之差的光子能量，即：ΔE=hv，因此，不同分子结构的气体会因为其结构所决定的不同能级而吸收不同频率的光子，这就是气体分子的选择吸收[1][2]。因此当检测到某种特定波长的光被吸收了，就标志某种特定的气体存在。

甲烷分子具有4个固有的振动[3]：v1= 2913.0cm，v2= 1533.3cm，v3=30189cm，v4=1305.9cm，它们所对应的波长分别为3.43μm，6.53μm，3.31μm和7.66μm在近红外区，有许多泛频带和联合带。文献[4]报道了甲烷气体在1.33μm、1.67μm和3.31μm处，吸收线强度之比约为1：5：1000。可见，在甲烷在中红外区域的吸收线强度远远超过它在近红外区域的吸收线强度。

2 光纤甲烷检测系统设计

2.1 总体方案设计

光纤甲烷检测系统总体分为五个部分：激光发生器，激光发生器驱动部分，气室，光路和检测显示部分。其原理框图见图2-1。其中的激光发生器选择市面上现有的成品激光二极管。激光二极管的驱动分为信号发生和实际驱动两部分，均采用已有的信号源和激光管驱动器。检测部分为避免自制分立元件的误差而采用SR830型数字锁相放大器。显示部分和总体控制采用TI公司的430微控制器。下面将分别简要介绍各部分。

2.2 半导体激光器

半导体激光器是一种相干辐射光源，大多采用InGaAsP/InP双异质结，是目前比较成熟的一种激光器。要使其满足相干辐射，必须满足三个基本条件：(1)建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布。(2)有一个合适的谐振腔使受激辐射在其中得到多次反馈而形成激光振荡。(3)为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，使光增益等于或大于各种损耗之和。这就要求足够强的电流注入，必须满足一定的电流阈值条件。本设计采用了由美国THORLABS公司生产的中心波长在1654nm的连续可调谐VCSEL二极管激光器(型号为VCT16545)进行实验。

2.3 半导体激光器驱动部分

在检测实验中，光源驱动部分是通过在函数发生器上设置需要调制的波形，频率，幅值等参数，然后把信号加到激光二极管驱动器上，再通过其驱动对激光器输出被调制的激光信号。在整个电路设计中，使用了美国Tektronix公司生产的型号为AFG3252双通道函数发生器来完成调制波形信号的选择和输出。

激光二极管驱动器在实验中采用了美国ILX Lightwave公司的LDC-3908八通道激光二极管驱动器，对激光二极管进行温度和电流的控制，其中前六个通道用于对不同的半导体激光器的电流进行控制，后两个通道是对其进行温度的控制。

2.4 气室的选择

气室设计的主要原则是：一是吸收光程尽可能大；二是气室中光路的耦合损耗小，耦合状态稳定；三是产生的噪声小。本设计选择小型渐变折射率透镜构成的气室。小型渐变折射率透镜构成的气室，这种透镜器件和光纤匹配性好，传输光纤和透镜尾纤可以直接熔接在一起，改善了耦合的稳定性问题。

图2-1 系统总体框图

2.5 激光光束准直透镜

VCSEL半导体激光器有一定的激光光束发散角。光纤准直器是光纤通信系统和光纤传感系统中的基本光学器件，它由1/4节距的自聚焦透镜和单模光纤组成，其用途是对光纤中传输的高斯光束进行准直，以提高光纤与光纤间的耦合效率。本设计选用的光纤准直器是普林公司的CLC1600-13FC型，它的波长范围是532-1660nm，光束大小为：4mm。

2.6 光电转换二极管

光电探测器是光纤甲烷检测系统电路的基本组成部分，需要完成样品光和参考光的光电转换，需要在1650nm附近波长范围具有高灵敏度、低系统附加噪声和足够的响应速度。设计中采用DInGaAs1700铟镓砷探测器。它对波长1.6μm附近的光吸收强烈，具有灵敏度高，响应速度快等特点。该探测器在波长1650nm处有较高的响应度，为0.95A/W。

2.7 电信号的检测

无论对光源进行强度调制还是频率调制，最后经光电探测器后都变换成交流的电信号。但是由于甲烷在近红外波段吸收比较弱，且影响测量的噪声很多，因此需要用锁相放大技术在噪声中提取微弱的交流信号。本设计中用到提取微弱信号的仪器为SR830型数字锁相放大器。SR830型数字锁相放大器有两个相敏检波输出，可以准确测量待测信号的幅值而不受相位差的影响，还可以测量待测信号和参考信号之间的相位差。

3 光线甲烷检测系统指标与分析

3.1 系统的灵敏度

灵敏度是指传感器的输出增量与被测输入量增量之比。在本系统中为出射光强变化与气体浓度变化的比值。根据Beer-Lambert定律，且由于在近红外波段，气体的吸收系数很小，满足，这样就可以运用近似公式：

系统灵敏度为：

在本实验系统中，VCSEL光源输出光强为1.1mw，气室长度选定为L=7.8 cm，甲烷在1653.7nm处的吸收系数为7.8，由式(3-3)可以得出甲烷浓度引起的光功率的变化为0.0067 μw/ ppm。

3.2 测量中的问题

由激光器输入电流与输出电压关系曲线可知，在一次谐波幅度和二次谐波幅度采集的过程中，一次谐波幅度和二次谐波幅度不仅受到输入正弦波电流大小的调制，同时三角波信号在扫频的同时也相应的控制了输出激光器的光功率。这样在理想的一次谐波幅度和二次谐波幅度曲线上，又增加了输出功率改变这样一种噪声。

得到中心频率处一次谐波幅度和二次谐波幅度后，只需进行简单的除法和代数运算，就可以得出甲烷的浓度。如何获得一次谐波幅度和二次谐波幅度，下面介绍几种方法。

(1)将采集到的二次谐波幅度进行比较，幅度最大值处就是中心频率点，将改点对应的一次谐波幅度和二次谐波幅度提取出来，进行计算。

(2)二次谐波幅度提取方法同上。一次谐波幅度则通过对采集到的一次谐波幅度进行比较，将幅度最大值和最小值提取出来，取其中间值作为中心频率点处一次谐波的幅值。

(3)二次谐波幅度提取方法同上。一次谐波幅度则通过对采集到的一次谐波幅度进叠加，将计算的平均值作为中心频率点处一次谐波的幅值。

以上3种方法全部基于中心频率处一次谐波幅度和二次谐波幅度特点。其中方法(1)简单实用，而且可以忽略掉前面所说的功率引起的测量结果改变的因素。而方法二和方法三克服了对幅度采样过程中单个采样点(如中心频率处)产生较大误差的影响。但是对于功率引起的测量结果改变没有解决，甚至会放大这种影响。

[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] 郭栓运.差分光谱光纤气体传感器的基本原理[J].应用光学，1989. No.6

[3] 曹茂永，张逸芳，张士昌等.吸收光谱式光纤瓦斯传感器的参数设计[J].煤炭学报.June1997.Vol.22，No.3