近紅外光纖水氣傳感器的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著石油化工、深海勘探、航空航天等國家支柱型產(chǎn)業(yè)及食品安全、電力傳送、大氣污染檢測等事關(guān)國計民生行業(yè)的發(fā)展，不僅對易燃、易爆、有毒氣體傳感器的需求越來越多，而且對水氣傳感器的需求也在逐年增加，使用范圍也越來越廣泛。作為光纖傳感技術(shù)的典型代表，光纖氣體傳感技術(shù)因其靈敏度高、精度好，具有大測量范圍，響應(yīng)快，并可以實現(xiàn)長期連續(xù)地在線檢測等技術(shù)優(yōu)勢獲得了電力、建筑、交通、石油、化工、醫(yī)療、環(huán)保等領(lǐng)域的青睞。
　　不僅事關(guān)國計民生，利用激光

2、與氣體分子的相互作用實現(xiàn)對氣體信息（種類、濃度、壓強、溫度、流速等）的檢測和傳導(dǎo)也一直是科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)最重要的研究內(nèi)容之一。對于水氣而言，其在中紅外處的基頻吸收譜線具有最強的線吸收強度，但該波長區(qū)域內(nèi)的光源與光電轉(zhuǎn)換材料昂貴、可控性差，不利于產(chǎn)業(yè)化的實現(xiàn)。本文的研究過程中所采用的光源為1370nm的DFB(Distributed Feed Back)半導(dǎo)體激光器，對應(yīng)波長處水氣雖然不具有最強的吸收線，但是此光源具有極好的性能（窄線寬，MHz

3、量級;高功率密度;易于調(diào)制等）。另外接收此波長的半導(dǎo)體探測器也比較成熟，因此選用此波長范圍內(nèi)的水氣吸收譜線作為研究對象。
　　在水氣傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品能否保持長久的可靠性已經(jīng)成為限制產(chǎn)品質(zhì)量提高的關(guān)鍵問題之一。本文著重研究了光纖水氣傳感器的關(guān)鍵技術(shù)以提升光纖水氣傳感器的探測分辨率、可靠性等性能指標，并開展了多參量氣體傳感的研究，實現(xiàn)對水氣濃度和氣體壓強信息的同步檢測，此研究結(jié)果對推進光纖水氣傳感器的實用化具有十分重要的

4、意義。本文的具體研究內(nèi)容為:
　　(1)介紹了一種基于雙吸收峰峰值差技術(shù)來實現(xiàn)水氣濃度的探測。當采用單吸收峰對應(yīng)的吸收光譜譜線來解調(diào)水氣濃度時，需要確定從吸收譜線中確定對應(yīng)的吸收強度大小的峰值差。峰值差的確定一般選取吸收峰峰值處與非吸收處對應(yīng)的光電信號值之間的差值。但是非吸收峰值位置的選取存在一定的不確定性，另外隨機噪聲對吸收峰峰值處的影響要小于對非吸收位置處光電信號的影響。本技術(shù)將解決從水氣吸收譜線中選取參考點位置時的不確定性，

5、并通過此方法來提升傳感器對隨機噪聲的抗干擾能力。
　　(2)基于Ebers-Moll模型設(shè)計出了改進型BRD(Balanced Ratiometric Detection)檢測電路。此電路是一種新型的電噪聲消除技術(shù)，主要用來消除包括激光器光強噪聲、探測器散粒噪聲等，可以應(yīng)用于雙光路光纖氣體傳感系統(tǒng)的解調(diào)中。在檢測過程中，此電路可實現(xiàn)光電流的直接歸一化，而省去了傳統(tǒng)歸一化解調(diào)電路中先將光電流轉(zhuǎn)化為電壓信號，然后利用電壓相減或相除才能

6、實現(xiàn)歸一化的繁瑣過程。此歸一化方式避免了此過程中可能產(chǎn)生的相位差異和在光電流至電壓轉(zhuǎn)換過程中電壓噪聲的引入。在測試試驗中，此改進型BRD檢測電路相比與改進前電路在對光源波動抑制率上從53 dB提升到了88 dB。本工作內(nèi)容對水氣實現(xiàn)了71.8ppbv(parts per billion by volume)的高分辨率檢測，使得利用低成本解調(diào)電路實現(xiàn)氣體的高分辨率檢測成為了可能。
　　(3)研究了波長掃描與強度調(diào)制相結(jié)合的技術(shù)方案。

7、結(jié)合了直接吸收法中波長掃描吸收光譜技術(shù)和強度調(diào)制技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢，即對于直接吸收法波長掃描光譜技術(shù)來說最大的技術(shù)優(yōu)勢是解調(diào)得到的曲線直接對應(yīng)氣體吸收譜線而無需復(fù)雜的反演換算;而對于高頻強度調(diào)制來說，最大的技術(shù)優(yōu)勢是高頻（與調(diào)制頻率相同）解調(diào)下極低的系統(tǒng)1/f噪聲，同時結(jié)合鎖相放大器的使用進一步壓制了其通帶外的噪聲。我們基于以上構(gòu)想設(shè)計并組裝了實驗系統(tǒng)，對水氣的檢測實驗顯示，解調(diào)得到的吸收譜線與理論計算得到的吸收譜線誤差控制在1％以內(nèi)，用1

8、0 cm吸收光路長度氣室實現(xiàn)對水氣的檢測分辨率達到了43 ppbv。
　　(4)闡釋了光纖水氣傳感器中額外吸收性干擾的來源，具體分析了光學(xué)器件蝶形封裝的DFB半導(dǎo)體激光器、同軸型封裝的PIN光電探測器以及光纖準直器的封裝結(jié)構(gòu)。在這些器件的封裝的內(nèi)部因工作原理的需要而存留了部分空隙，為額外待測氣體進入光路中發(fā)生額外吸收提供了可能。為此我們提出了基于光電探測器配對重組法和長光程稀釋法兩種方案來實現(xiàn)對應(yīng)用測量過程中的額外吸收性干擾的抑制

9、，且抑制效果分別為從288 ppmv(parts per million by volume)抑制到4ppmv;727 ppmv抑制到了25.2 ppmv。
　　(5)分析了TDLAS/WMS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy/Wavelength Modulation Spectroscopy)檢測技術(shù)中二次諧波波形畸變產(chǎn)生的原因，并提出了基于BRD的雙光束TDLAS/WMS

10、技術(shù)來實現(xiàn)二次諧波波形的校正。此技術(shù)結(jié)合了BRD檢測技術(shù)和WMS技術(shù)?；贒FB半導(dǎo)體激光器的TDLAS/WMS檢測技術(shù)中二次諧波波形畸變主要來源于半導(dǎo)體激光器普遍存在的剩余幅度調(diào)制RAM和激光功率變化LPV，在基于BRD的雙光束TDLAS/WMS技術(shù)的測試實驗中，這部分因素對二次諧波波形畸變的貢獻大部分被消除，這是因為RAM和LPV的影響在BRD檢測電路中以光電流歸一化的形式被抑制甚至消除，而且未引起其他的一些相位差問題。此研究內(nèi)容為

11、解決水氣檢測的工程化應(yīng)用中諧波波形畸變以及提升氣體濃度的探測分辨率提供了非常重要的參考，顯著簡化了冗雜的波形分析并免去了進一步補償?shù)穆闊?。為實現(xiàn)TDLAS/WMS技術(shù)在氣體檢測的工程應(yīng)用中潛力的最大化提供了可能
　　(6)對于水氣在1368.597 nm處的吸收譜線，當氣體壓強升高時其FWHM(fullwidth at half maximum)的值會線性增加，例如對應(yīng)8 atm/296 K時，水氣吸收譜線的半高全寬值為FWHM=

12、278.4 pm。但對于此波段內(nèi)的DFB半導(dǎo)體激光器，當通過電流調(diào)制后其調(diào)制范圍往往處于200-300 pm內(nèi)，無法完成對整條吸收譜線的掃描。我們研究了在掃描范圍有限條件下的氣體濃度檢測技術(shù)。此項技術(shù)仍依靠基于DFB半導(dǎo)體激光器的TDLAS，但同時結(jié)合了Levenberg Marquardt算法的最小二乘法技術(shù)。此項技術(shù)可以實現(xiàn)水氣濃度和探測區(qū)域內(nèi)氣體壓強的同時測量，利用擬合得到的完整吸收譜線提取吸收峰峰值與基線之間的差值進一步解調(diào)水氣

13、的濃度信號，在樣機測試中我們獲得了20 ppmv的測量精度;利用擬合得到的完整的單條吸收譜線提取FWHM，進而借助FWHM與標準條件下吸收譜的FWHM的比值實現(xiàn)對待測區(qū)域內(nèi)氣體壓強的測量，在樣機測試中我們獲得了5％的測量精度。
　　在本論文的完成過程中，主要的創(chuàng)新點有:
　　(1)首次提出雙吸收峰峰值差水氣傳感方法。對于光譜吸收式氣體傳感器，氣體對光強的吸收強度是解調(diào)氣體濃度信息的最重要的參數(shù)。通常吸收強度的確定需要檢測吸收

14、峰峰值與吸收譜線基線之間的差值，對于單吸收線來講吸收譜線基線的確定存在不確定性，特別是對應(yīng)噪聲大、吸收譜線展寬大的時候。本方案中采用1368.597 nm和1367.862 nm處的兩條吸收線作為研究對象，并利用兩個吸收峰之間的差值實現(xiàn)對水氣濃度的檢測。
　　(2)首次考慮光纖器件內(nèi)的氣體對痕量氣體傳感效果的影響并提出有效消除/抑制方法。本文中將這種光纖器件內(nèi)部水氣對水氣傳感結(jié)果的影響定義為額外吸收性干擾，分析了主要光學(xué)器件（DF

15、B半導(dǎo)體激光器、PIN光電探測器及光纖準直器）的內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)，理清了額外吸收性干擾的來源，提出并驗證了光電探測器配對重組法、長光程稀釋法兩種方案來抑制額外吸收性干擾的影響，此方案適合應(yīng)用于實用化的光纖水氣傳感器的設(shè)計中。
　　(3)改進了BRD檢測電路并成功應(yīng)用于對水氣的光纖傳感解調(diào)，利用電導(dǎo)率匹配的方案實現(xiàn)了對基于Ebers-Moll模型而設(shè)計的BRD檢測電路的改進。此電路適用于雙光路氣體檢測系統(tǒng)的解調(diào)，可實現(xiàn)寬通帶范圍內(nèi)光電流

16、噪聲的消除，并能將兩路光以光電流的形式實現(xiàn)歸一化，解決了傳統(tǒng)歸一化方案中電流到電壓轉(zhuǎn)換過程中的一系列問題。
　　(4)提出了基于BRD的雙光束TDLAS/WMS技術(shù)，實現(xiàn)了二次諧波波形的校正。二次諧波波形畸變主要來源于半導(dǎo)體激光器普遍存在的剩余幅度調(diào)制RAM和激光功率變化LPV，在基于BRD的雙光束TDLAS/WMS技術(shù)的測試實驗中，這部分因素對二次諧波波形畸變的貢獻被大部分消除，簡化了光譜吸收式氣體傳感器中對光譜的分析過程。