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可调谐DFB半导体激光器的甲烷检测传感器

2020-04-28陈书立

实验室研究与探索 2020年1期
关键词:甲烷谐波气体

苑 彬,陈书立

(1.河南职业技术学院 机电工程学院, 郑州 450046; 2.郑州大学 电气工程学院, 郑州 450001)

0 引 言

甲烷的分子式为CH4,俗称瓦斯,是结构最简单的有机物,也是天然气和煤气等燃料的主要成分,在地球上储量丰富,常被用来合成结构更复杂的化工原料[1-2]。同时,甲烷也具有一定的危险性,当人体吸入过量的甲烷时,会使呼吸困难,严重时还会发生窒息,而空气中混合甲烷的浓度范围在5.0%~15.4%时,碰到明火还能瞬间引起爆炸。在煤矿开采过程中,矿井巷道出现的瓦斯突出,或者在化工生产过程中,甲烷的泄漏都会给工作人员造成极大的危险[3]。另外,由于甲烷为无色无味的气体,很难被人发现,国内外也先后出现了电化学传感器和催化型可燃传感器[4-5]。其中,电化学传感是利用了气体与电解液发生氧化还原反应的原理,但这种方法选择性差,容易受其他气体干扰。催化型传感器是利用气体在涂有催化物的金属表层燃烧,温度升高后使电阻值的变化原理,但容易出现中毒现象而增大测量误差。

近些年,借助红外光的测量方法被广泛研究,文献[6]中通过对ICL激光器进行调制,并提取二次谐波,实现了甲烷浓度的检测;文献[7]中采用光电二极管和滤光片产生窄带光束,并利用双差分电路和算法计算出了甲烷浓度,验证了可行性。为进一步提高测量精度和稳定性,本文利用可调谐DFB半导体激光器设计了甲烷浓度检测传感器,推导出二次谐波和一次谐波之比与气体浓度的关系,并重点对微弱信号处理电路进行了设计,最大限度剔除干扰,改善电路的信噪比,提升了测量精度和稳定性。

1 吸收光谱的谐波检测方法

在没有外界影响的情况下,气体的原子处于能量最低的基态,当获得特定波长的光束照能量时,分子内部会产生运动和跃迁,向高能级跃迁,在该过程中就发生了红外吸收光谱,穿过气体的光束强度会减弱,符合朗伯-比尔定律,

I(λ)=I0(λ)e-α(λ)cl

(1)

式中:I0(λ)代表波长为λ的入射光强度;I(λ)代表波长为λ的光束被气体吸收后的出射光强度;α(λ)代表在波长为λ处的吸收系数;c代表被测气体浓度;l代表光束在气室中穿过被测气体的有效长度[8]。

根据甲烷气体的分子结构可知,其有4个固定的振动基频,对应的吸收光谱中心波长分别为3.312、3.433、6.522和7.765 8 μm,通过HITRAN数据库可知,在中红外波段的3.312 μm区域具有非常明显的吸收现象[9]。本文利用谐波检测技术实现对甲烷浓度的检测,由于谐波是由非线性负载引起的,而甲烷在3.312 μm处的吸收峰是高斯线形,属于非线性负载,通过对激光器的驱动电源叠加频率为f=ω/2π的正弦电流,实现对输出波长的调制,扫描整个吸收峰,从而产生谐波。此时,光强也被调制,调制后的光束波长λ和光强I(λ)的表达式:

I(λ)=I0(λ)(1+ηsinωt)e-a(λ)cl

(4)

鉴于吸收系数α(λ)很小,实际上α(λ)cl≪1,可将式(4)改写成:

I(λ)=I0(λ)(1+ηsinωt)[1-α(λ)cl]

(5)

为了得到谐波分量,把上式变换成傅里叶级数表达式,其中,一次谐波系数If=I0η,二次谐波的系数I2f=-k2α(λ)clI0,令两者相除,能够消除公式中的初始光强I0,从而简化计算。

(6)

通过红外光探测器将光信号转化为电信号进行测量,得到二次谐波和一次谐波的光强之比,而光调制系数η、吸收系数α(λ)、光程l和k2均为已知量,即可求得气体浓度[10]。

2 甲烷浓度检测传感器整体结构

采用可调谐DFB半导体激光器作为光源设计了甲烷浓度检测传感器,整体结构如图1所示。

图1 甲烷浓度检测传感器整体结构

通过控制激光器的温度和驱动电流,使激光器发射出稳定波长为3.312 μm的光束,借助准直器使光束聚焦,然后穿过长度为40 cm的测量气室。根据被红外吸收光谱特性,穿过测量气室的光束能量会被部分吸收,从而到达红外探测器的光强减弱,碲镉汞红外探测器将光信号转化为电信号,通过微弱信号处理电路使光强的变化能够被微处理器测量。为了能够在碲镉汞红外探测器接收端产生谐波信号,利用1 kHz正弦电流叠加到激光器的电源上对输出波长调制,使光束扫描在波长为3.312 μm处的吸收峰,从而产生谐波信号。再利用微弱信号处理电路对微弱信号进行处理,对一次谐波和二次谐波进行提取,经过ADC转化后,根据式(6)的推导结果,在微处理器中完成对气体浓度的求解计算。研制的传感器在硬件上设计了RS-232通信接口,通过调用函数即可实现配置和数据通信,方便二次开发集成。

3 微弱信号处理电路

从碲镉汞红外探测器中输出的电流十分微弱,而在光谱测量过程中极易受到环境辐射的干扰,同时,光源及红外探测器内部的噪声也容易淹没有用信号,从而增大测量误差。为了实现高精度的测量,微弱信号处理电路的设计显得尤为关键,需尽可能提高信号处理的抗干扰能力,改善信噪比,将有用的一次谐波和二次谐波信号从噪声中提取出来,而单纯的窄带滤波很难将谐波信号提取,故本文利用了相关检测原理设计锁相放大器,微弱信号处理电路结构如图2所示。

图2 微弱信号处理电路结构

3.1 相敏检波器设计

相敏检波是借助了相关检测原理对调制后的交流信号进行处理,提取出同相位和同频率的有用信号。假设送给相敏检波器的信号

x(t)=Vscos(ω1+θ1)+Vncosωt

(7)

式中:Vs代表有用信号的幅值;ω1代表角速度;θ1代表相位;Vncosωt代表幅值为Vn的噪声信号。

假设送给相敏检波器参考信号

r(t)=Vrcos(ω2t+θ2)

(8)

式中:Vr表示参考信号的幅值;ω2表示角速度;θ2表示相位。

根据相敏检波原理,信号x(t)和参考信号r(t)相乘,得到:

u(t)=x(t)·r(t)=[Vscos(ω1+θ1)+Vncosωt]·Vrcos(ω2t+θ2)=0.5VsVrcos[(ω1+ω2)t+

(θ1+θ2)]+0.5VsVrcos[(ω1-w2)t+

(θ1-θ2)]+0.5VsVncos[(ω2+ω)t+θ2]+

0.5VsVncos[(ω2-ω)t+θ2]

(9)

经过相敏检波器后,得到了多个频率的信号分项。其中,第1项与第3项为和频分项,在后续处理中可利用低通滤波器将这两项剔除;第2项为差频分项属于低频信号被保留,因为噪声的频率ω具有随机性,而且在频域ω2与ω重合的部分非常小,所以第4项大部分也会被滤掉,令ω1=ω2和θ1=θ2,则式(9)可简化为:

u(t)=x(t)·r(t)=0.5VsVr

(10)

综上所述,相关检测方法能够获取跟参考信号同频同相的有用直流信号,而且还消除了噪声的影响[11]。本文利用高精度平衡调制解调器AD630实现相敏检波,可恢复在100 dB噪声背景下的微弱信号。为了简化计算和系统设计,令参考信号r(t)为幅值Vr,周期T=2π/ω0的方波,并展开成傅里叶级数如下:

(11)

式中,

(12)

(13)

经过相敏检波后的结果,则

u(t)=x(t)·r(t)=Vscos(ω0t+Δθ)·

(14)

经过低通滤波器后,只保留了n=1时的直流分量,高频项均被过滤掉,此时,

(15)

因此,当相位差Δθ为0时,可从相敏检波器输出幅值为2VsVr/π的直流信号。

3.2 前置放大与带通滤波

3.2.1 前置放大电路设计

碲镉汞红外探测感应红外光后,输出非常微弱的电流,为了便于处理,设计了前置放大电路,将电流信号变为成比例的电压信号,前置放大电路如图3所示。首先通过前置放大电路将微弱的电流信号变成电压信号,这里采用了跨阻抗运放芯片OPA380,偏置电流小于10 pA,跨阻抗带宽大于1 MHz,因为运算放大器OPA380的输入电阻很大,可认为流向运放2端口的电流Id非常小,也就是说从红外探测器输出的电流均流经了R1,那么前置放大器的输出电压为Id×R1。由本文的选取设备的参数进行估算,红外探测器的灵敏度1 A/W,而从DFB激光器到达红外探测器的光强约为1 μW,可知输出的电流Id=1 μW×1 A/W=1 μA。由于运放两个输入端“虚短”,估算运放的输出电压为Id×R1=16 mV。另外,为了避免产生自激振荡,在反馈电阻R1上并联了电容C1对相位补偿,从而消除由红外探测器引入的相位延时问题,增加了电路的稳定性。

图3 前置放大电路

由于反馈电阻R1的阻值大小决定了输出电压的大小,但取值也不能过大,过大会无形中引入热噪声,淹没待测的有用信号。由于从前置电路输出的电压较小,为了便于后续的滤波和检波处理,又设计了增益可调的放大电路,本文的重点考虑了增益、噪声和温度漂移等指标,选取运放芯片AD620设计了可调放大电路,放大倍数为1+Rp/R3,Rp在这里采用了可调电阻,便于灵活调整放大倍数[12]。

3.2.2 带通滤波器设计

为了提取一次谐波和二次谐波,采用低噪声芯片OP2177 作为运放,将二阶低通滤波器和二阶高通滤波器串联,设计了一个巴特沃斯型带通滤波器,电路如图4所示。当带通滤波器的中心频率为1 kHz时,以-3 dB为截止频率,设计了带通滤波器的频率范围0.8~1.2 Hz,用来提取一次谐波,可避免由于温漂的影响,使谐波信号落到带外,从而带来测量误差[13]。

图4 带通滤波器电路

低通滤波器截止频率fL和高通滤波器截止频率fH,应满足:

(16)

通过查表,取C11=C12=C13=C14=0.01 μF ,可求解出R4=R5=13.3 kΩ;R15=R16=19.9 kΩ;根据巴特沃斯滤波器规则,两级滤波器的增益和运放输入电阻应满足:

(17)

(18)

可求出R6=201.6 kΩ,R7=36.6 kΩ;R17=36 kΩ;R18=44.5 kΩ。

按照同样的方法,可求出二次谐波(中心频率为2 kHz,滤波频率范围1.8~2.2 kHz)滤波电路中电阻和电容的参数值。

3.3 参考信号电路设计

参考信号电路主要有移相、方波整形和倍频单元组成,当信号经过带通滤波器后相位会发生偏移[14]。为了使输入相敏检波器的两路信号同频同相,设计了相位在能够在0°-360°范围内可调节的移相电路,采用幅值为1 V,占空比为50%的方波为参考信号,电路如图5所示。

图5 参考信号电路

根据电容端电压滞后电流的原理,采用运放OP07与RC元件设计了在0°~180°范围内可调的移相电路,再将两个移相电路进行串联实现了在0°~360°范围可调的移相[15]。方波整形电路选用比较器LM311,在输出端口7连接上拉电阻,将正弦波转变成方波,针对一次谐波的处理,参考信号方波直接进入相敏检测器。对于二次谐波的提取,需要将参考信号方波进行倍频处理,倍频电路选用了4位二进制同步加法计数器CD4520,整形后的方波信号进入时钟输入端CLK A,在输出端为Q3~Q0可分别得到16分频、8分频、4分频与2分频信号,从Q0端口输出的为2倍频的方波信号,最终将其送到相敏检测器。配合移相电路的调节,即可在AD630输入端得到两路同频同相的信号,从而实现对谐波信号的提取。

4 实验结果与分析

4.1 测量精度测试

研制的甲烷浓度检测传感器采用了长度为40 cm、体积为1 L的测量气室,传感器通过RS-232串行接口与上位机相连,并在上位机上运行自主编写的LabVIEW测试程序,实时显示一次谐波和二次谐波电压值以及甲烷气体浓度等信息。首先给传感器的激光器加电预热,控制激光器发射出波长为3.312 μm光束,待工作稳定后,对激光器的电源施加1 kHz的正弦电流进行调制,使光束扫描吸收峰,然后分别调节一次谐波和二次谐波提取的移相电路,在上位机程序中观察,使对应输出的直流电压为最大值,完成对微信号处理电路的校正。

在25 ℃的环境下,用高纯度的氮气冲洗气室,然后再充入20 mL浓度为99.99%的甲烷,待稳定后在上位机每隔10 s读取结果,包含一次谐波、二次谐波和甲烷气体浓度值,将5次读取结果取平均值并记录。每次测量增加20 mL的甲烷气体,重复上述过程,完成10次标定和测量,整个过程得到的结果如表1所示。

表1 测量精度实验结果

从表1可看出,研制的甲烷浓度检测传感器能够与上位机可靠通信,且测量精度非常高,在浓度为0~20%量程,最大测量误差不超过0.65%,平均测量误差仅为0.41%,达到了设计的预期。借助最小二乘法对数据进行拟合可得:

(19)

从上式可看出,当气体浓度为0时,谐波比值不为0,这主要是由于红外探测器和电路内的噪声引起,但本文设计的微弱信号处理电路在很大程度上有效抑制了这部分噪声,所以呈现出了良好的线性关系。

4.2 稳定性测试

传感器在长时间的工作过程中,可能会出现较大测量误差,所以稳定性是检验传感器优劣的重要指标。在同样的实验室环境下进行了测试,给传感器测量气室充入50 mL浓度为99.99%的甲烷,即气室内甲烷的标称浓度为5.0%,每隔30 min记录上位机的测量值,连续记录10次,得到的实验结果如表2所示。

表2 稳定性测试结果

根据表2的数据,可以计算出设计的传感器在5 h内,测量浓度为5%甲烷的稳定度σ为:

(21)

式中:Vmax和Vmin分别表示实测的最大和最小值;Vc表示被测甲烷实际浓度。经过计算,在该稳定度测试中,稳定度为0.458%,表明设计的传感器在长时间的工作中受外界干扰较小,表现出了良好的稳定性。

5 结 语

根据气体对红外光的吸收光谱特性,采用可调谐DFB半导体激光器作为光源设计了甲烷浓度检测传感器,并推导出了二次谐波跟一次谐波比值与气体浓度成正比关系,利用相关检测原理设计了锁相放大电路,通过前置放大电路和带通滤波器的预处理,有效抑制了信道噪声。利用参考电路产生的同相同频的方波信号,实现了相敏检波,并成功提取出一次谐波和二次谐波,在经过直流低通滤波器后使其可测量,从而求解出甲烷气体浓度。实验结果表明,设计的甲烷浓度检测传感器测量精度高,最大测量误差不超过0.65%,

平均测量误差仅为0.41%,即便在长时间工作的情况下,也具有较高的测量稳定性,可广泛应用于煤矿开采和化工厂关键区域的甲烷监测,提高生产作业的安全。

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