光譜吸收式甲烷傳感器說明書

1、 武漢理工光科股份有限公司 WUHAN WUTOS TECHNOLOGY CO.,LTD產(chǎn)品說明書GJG4型光譜吸收式甲烷傳感器編寫人員董雷，薛野，韋云波部 門研發(fā)中試部日 期2010-11-8版 本 號1目 錄1GJG4型光譜吸收式甲烷傳感器功能說明22GJG4型光譜吸收式甲烷傳感器工作原理33BGD-16M各功能單元分析43.1光學(xué)/光電子部分53.1.1解調(diào)器光路53.1.2梳狀濾波器73.1.3光纖光柵83.1.4O波段掃頻激光器93.2電路部分113.2.1光源板113.2.2光電路板163.3信號處理模塊214附錄25A.參考文獻(xiàn)25B.主要光學(xué)/光電子器件性能指標(biāo)251 GJG4

2、型光譜吸收式甲烷傳感器功能說明GJC4光纖甲烷傳感器是利用甲烷氣體的紅外光譜吸收特征的光學(xué)傳感器。適用于煤礦井下采掘工作面、回風(fēng)巷道、機電峒室等有瓦斯爆炸氣體環(huán)境中對瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行連續(xù)測定，可與國內(nèi)各類煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)及斷電儀、風(fēng)電瓦斯閉鎖裝置配套使用。該儀器能測定、顯示瓦斯瞬時濃度，超限報警，可輸出與被測瓦斯?jié)舛认鄬?yīng)的頻率信號。整機外觀如圖1.1所示：圖1.1 BGD-16M整機外觀主要技術(shù)指標(biāo)如下所示：Ø 測量范圍：04%CH4Ø 測量誤差：測量范圍：%CH4基本誤差：%CH40.001.00±0.101.003.00真值的±10%3.004.00&

3、#177;0.30Ø 報警及斷電點設(shè)置：0.004.00%CH4 任意設(shè)置Ø 采樣方式：風(fēng)壓加速擴散式Ø 響應(yīng)時間：5sØ 傳感探頭壽命：5年以上Ø 工作電流：200mA DC 18VØ 工作電壓：DC 9-24V2 GJG4型光譜吸收式甲烷傳感器工作原理由于不同氣體對紅外光有著不同的吸收光譜，一些氣體的特征光譜吸收強度和氣體的濃度有關(guān)，利用這一原理可以測量瓦斯氣體濃度。利用氣體在石英光纖透射窗口內(nèi)的吸收峰，測量由于氣體吸收產(chǎn)生的光強衰減，反演出氣體的濃度。與傳統(tǒng)紅外光譜技術(shù)不盡相同，GJG4型光譜吸收式甲烷傳感器采用的是一種稱之為可

4、調(diào)諧半導(dǎo)體激光器吸收光譜技術(shù)（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）的諧波檢測技術(shù)。其原理可以簡單描述為：將窄帶光源波長對準(zhǔn)待測氣體某一吸收峰，用慢速調(diào)制電流在吸收峰左右附近掃描，并在這一慢速信號上疊加高頻正弦信號。調(diào)制后的激光通過待測氣體，由于氣體的吸收效應(yīng)，波長調(diào)制轉(zhuǎn)換為強度調(diào)制，當(dāng)激光中心波長對準(zhǔn)氣體吸收峰的中心處，輸出光包含有調(diào)制頻率的二次諧波信號，而且信號幅度正比于氣體的濃度。通過提取二次諧波，來實現(xiàn)氣體濃度的測量。與差分吸收法相比，諧波檢測法具有更高的分辨率。采用鎖相放大技術(shù)，可以實現(xiàn)二次諧波信號的提取，從而實現(xiàn)氣體濃度

5、的高靈敏度測量。當(dāng)一束光強為I0的輸入平行光通過氣室時，如果光源光譜覆蓋一個或多個氣體吸收線，光通過氣體時將發(fā)生衰減。根據(jù)Beer-Lambert定律，輸出光強I(t)與輸入光強I0(t)和氣體濃度之間的關(guān)系為上式中為氣體吸收系數(shù)，L為吸收路徑的長度。 在近紅外波段，氣體的吸收系數(shù)很小，滿足因此公式（2-1）可以簡化為當(dāng)在慢速變化的激光器驅(qū)動電流基礎(chǔ)上疊加一頻率為的高頻正弦信號后，激光器的激射頻率將會發(fā)生如下改變：其中平均頻率會隨慢速調(diào)制電流改變。假設(shè)激光器輸出功率在整個調(diào)制頻帶內(nèi)保持恒定，即其中0為吸收峰中心頻率。由此I()和()均為含時偶函數(shù)，其傅立葉級數(shù)可以寫為：上式中是吸收系數(shù)的第n階

6、傅立葉參數(shù)。氣體壓力接近一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時 紅外光譜的碰撞加寬起主要作用 因此可以用Lorentz曲線描述甲烷分子的吸收譜線型其中是吸收譜線的半峰半寬。令和則此時二次諧波系數(shù)為：其中。 根據(jù)方程（2-9）式，得到其與變量x的圖為：此時假設(shè)m取值為2.2，因為此時H值最大。圖形峰值對應(yīng)于最強吸收峰。3 GJG4型光譜吸收式甲烷傳感器各功能單元分析該檢測儀利用甲烷氣體的光譜吸收原理，通過探測透過傳感探頭的光強變化檢測甲烷氣體濃度。檢測儀以C8051為中央處理單元，由光源控制電路、光電轉(zhuǎn)換電路、信號處理電路、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字顯示及聲光報警等單元電路組成，其框圖如下：圖3.1 傳感器原理框圖當(dāng)環(huán)境中的甲烷

7、氣體以擴散的方式進(jìn)入傳感探頭的氣室腔時，甲烷氣體就會吸收LD光源發(fā)出的特定波長的光能量，使得到達(dá)光電轉(zhuǎn)換的光信號減弱，該信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、前置放大、信號處理后變換為與甲烷濃度相對應(yīng)的電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后直接進(jìn)入C8051，由單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計算出甲烷濃度值，實現(xiàn)濃度值的現(xiàn)場顯示、輸出與濃度值成比例的頻率量，進(jìn)行超濃度時聲光報警等。3.1 整機結(jié)構(gòu)圖由上述原理可以看出，電路的主要任務(wù)是將光源中的二次諧波分量分離出來。為了實現(xiàn)此目的，需要設(shè)計出激光器的驅(qū)動信號（即上文中的調(diào)制函數(shù)f(，t)），并將其中的高頻部分分離出來，然后提取出其中的二次諧波（GJC4采用的是鎖相放大的方法），最后將二次

8、諧波幅度信號采樣后送入單片機進(jìn)行處理。因此，GJC4的電路主要包括以下幾個部分：光源溫控電路，光源驅(qū)動信號產(chǎn)生電路，PIN信號處理電路和鎖相放大電路。GJC4的電路原理框圖如圖2.1所示。圖2.1 GJC4電路原理框圖2.1 光源溫控電路從系統(tǒng)的測溫原理可知，GJC4是通過對光源進(jìn)行頻率調(diào)制來實現(xiàn)系統(tǒng)功能的，且對光源的掃頻范圍有嚴(yán)格要求（只能覆蓋一個甲烷吸收峰），故系統(tǒng)要求光源輸出保持穩(wěn)定。由于激光器對溫度較為敏感，因此需要一個溫控電路使激光器的工作溫度保持恒定。光源溫控電路的框圖如圖2.2所示。圖2.2 光源溫控電路框圖從框圖中可以看出，溫度傳感器輸出一個電壓信號，與單片機給定的參考電壓進(jìn)行

9、比較。若兩者的電壓值不相等，比較放大器則會將誤差信號傳遞給溫控芯片。溫控芯片通過內(nèi)部的PWM（脈寬調(diào)制）比較器控制推挽全橋電路的雙向電流信號的占空比，從而達(dá)到控制TEC（熱電制冷器）工作模式和工作時間的目的。TEC的工作模式（制冷或者制熱）由流經(jīng)TEC的電流方向決定。而當(dāng)傳感器輸出電壓和單片機輸出參考電壓趨于一致時，比較放大器便不再有輸出，光源的工作溫度也將趨于穩(wěn)定。比較放大器和溫控芯片的外圍電路如圖2.3所示。圖2.3 比較放大器和LTC1923外圍電路圖中的LTC2053是高精度零漂移儀器放大器，作為比較放大器的輸入級，比較放大器的第二級是LTC1923內(nèi)部的誤差放大器。系統(tǒng)選用的溫控芯片

10、是LTC1923，SDSYNC端是外部時鐘輸入端，此時鐘決定CT輸出的三角波頻率，即決定推挽全橋電路的工作頻率。而EOUT端則是PWM比較器的輸入端，決定了TEC驅(qū)動信號的占空比。推挽全橋電路如圖2.4所示。圖2.4 推挽全橋電路全橋電路的四個輸入端PDRVA，PDRVB，NDRVB和NDRVA輸出的是經(jīng)脈寬調(diào)制后的方波信號，這四個信號的相位關(guān)系保證了兩個SI9801內(nèi)各有一個MOS管在工作，從而保證了正反兩個方向的電流交替通過TEC，使TEC實現(xiàn)制冷或者制熱的功能。圖2.5顯示了PDRVA，PDRVB，NDRVB和NDRVA的相位關(guān)系以及這四個信號的占空比和EAOUT電壓值的關(guān)系。圖2.5

11、EAOUT，PDRVA，PDRVB，NDRVB和NDRVA的輸出波形當(dāng)GJC4上電之后，程序開始運行，這時可測得溫度傳感器的輸出電壓和參考電壓信號如圖2.6所示。圖2.6 傳感器輸出電壓和參考電壓通常情況下，GJC4剛上電時，這兩個電壓信號是不一致的。但隨著TEC開始工作，這兩個電壓信號將迅速趨于一致。2.2 光源驅(qū)動信號產(chǎn)生電路2.2.1 電路功能及其在系統(tǒng)中的作用這個電路模塊的主要任務(wù)是產(chǎn)生光源驅(qū)動信號，即上文提到的調(diào)制函數(shù)f(，t)，從上一章的原理部分可以看出，若要得出式1-11，必須有一個重要的前提，就是光源的中心波長0與氣體的吸收峰吻合，即0=g。若要將調(diào)制函數(shù)f(，t)設(shè)定為正弦函

12、數(shù)sint，則需要光源的中心波長始終鎖定在吸收峰上，毫無疑問，這對光源的穩(wěn)定性要求太高。為了解決這一問題，不妨給光源添加一個周期的線性斜坡電流信號。由式1-2可知，這個斜坡電流信號同樣會調(diào)制光源的輸出頻率。那么，只要這個斜坡信號能保證光源的輸出頻率周期性地掃過吸收峰，就無需光源的中心波長恒定鎖定在吸收峰上。GJC4采用的這個斜坡電流信號是一個鋸齒波信號，此時光源輸出頻率如圖2.7所示。圖2.7 鋸齒波調(diào)制光源頻率圖2.7中的水平黑色線為甲烷氣體的吸收峰，綠色波形為輸出光頻率的時域特性。由式1-2可知，光源的頻率和驅(qū)動電流呈線性關(guān)系，因此輸出光的中心頻率在時域上仍然是一個鋸齒波。為了給光源留有足

13、夠大的誤差閾值，確保輸出光頻率掃過吸收峰，應(yīng)該盡量讓吸收峰處于綠色波形斜坡中心的位置，如圖中所示的那樣。此外，為了使調(diào)制函數(shù)中用于鎖相放大的高頻部分不至于受到鋸齒波的影響，鋸齒波的頻率應(yīng)該和調(diào)制函數(shù)中的高頻波拉開距離?；谝陨显瓌t，調(diào)制函數(shù)f(，t)可由一個低頻斜坡信號和一個高頻信號疊加而成。其中，低頻斜坡信號是為了讓光源的中心頻率可以周期性地掃過吸收峰，高頻信號則是為了產(chǎn)生含有氣體濃度信息的二次諧波信號。在GJC4中，這個低頻斜坡信號采用頻率為50Hz的鋸齒波，高頻信號則采用頻率為50kHz的正弦波。調(diào)制信號，即光源驅(qū)動信號產(chǎn)生電路的的框圖如圖2.8所示。圖2.8 光源驅(qū)動信號產(chǎn)生電路框圖2

14、.2.2電路模塊分析電路中的50kHz正弦波是通過單片機輸出的50kHz方波信號轉(zhuǎn)換而來，方波轉(zhuǎn)正弦波電路如圖2.9所示。圖2.9 方波轉(zhuǎn)正弦波電路電路的通帶范圍為5080KHz，GJC4系統(tǒng)中此電路的輸入頻率為50KHz。圖2.10為電路的交流分析仿真結(jié)果，而電路在頻率為50KHz、占空比為50%的方波輸入下的輸入輸出波形如圖2.11所示。圖2.10 電路交流分析仿真結(jié)果圖2.11 在頻率為47KHz方波輸入下的輸入輸出波形由圖2.11所示，若輸入為47kHz、占空比為50%的方波，輸出的正弦波幅值為輸入方波幅值的1/6，或者說輸出幅值相對輸入幅值的衰減為6dB。圖2.12為求和放大電路原理

15、圖，此電路的功能實現(xiàn)兩路信號的加法運算。圖2.11 求和放大電路由圖2.11可見，電路主要由兩個運放構(gòu)成，前級運放為典型的反相放大電路構(gòu)成的求和電路，后級則為反相放大電路。在前級電路中，50Hz信號（即SAW_100）的增益為R241/R237=1，50kHz信號（即SIN_100K）的增益為R241/R239=0.5。在后級反相放大電路中，增益為R244/R242=0.1。圖2.12為光源驅(qū)動電路，這個電路的一個主要任務(wù)就是把求和放大電路輸出的電壓信號轉(zhuǎn)化為激光器所需要的電流信號。圖2.12 光源驅(qū)動電路如圖2.12所示，U205是一個運放，電路為同相放大電路。由于電路為運放負(fù)反饋電路，根據(jù)

16、虛短路特性，可知測試點LaserDriver處的電壓始終和SIG_LASER保持相同。由于電阻R205接地，LaserDriver處的電壓信號即轉(zhuǎn)換為R205的電流信號。根據(jù)負(fù)反饋的虛斷路特性，流經(jīng)LED的電流和流經(jīng)R205的電流是相同的，因此LED的驅(qū)動電流信號和R205上的電壓信號保持一致（指波形一致），也和SIG_LASER的信號保持一致。2.2.3 調(diào)制函數(shù)的數(shù)學(xué)模型 為了便于解釋后續(xù)電路模塊的功能，特別是濾波器和鎖相放大模塊的功能，需要對GJC4的調(diào)制信號進(jìn)行頻譜分析。首先來建立50Hz鋸齒波信號和50kHz正弦波信號的數(shù)學(xué)模型。對于鋸齒波信號，GJC4中采用的信號波形如圖2.13所

17、示，假定其水平部分電壓為a，斜坡頂點電壓為b，斜坡起點為坐標(biāo)原點，則此斜坡信號在0,T區(qū)間內(nèi)的函數(shù)可表示為：（式2-1）式中，(t)為單位階躍函數(shù)。對于正弦波信號，由于正弦波信號頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋸齒波，因此可以假定正弦波在圖2.13的坐標(biāo)系中為標(biāo)準(zhǔn)初始相位為0的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，即（式2-2）圖2.13 鋸齒波模型根據(jù)上文中求和放大電路的相關(guān)參數(shù)，可以得出調(diào)制函數(shù)f(，t)的表達(dá)式為：（式2-3）將式2-3代入式1-8，有：（式2-4）根據(jù)圖2.14的實測運放輸出信號，鋸齒波的水平部分電壓為1.3V，斜坡頂點電壓為2.2V。根據(jù)圖2.15的實測信號，50kHz正弦波的幅值為±1.3V。圖2.1

18、4 實測鋸齒波信號圖2.15 實測正弦波信號將以上參數(shù)帶入式2-3，可得調(diào)制函數(shù)的實際函數(shù)：（式2-5）此調(diào)制函數(shù)的實測波形如圖2.16所示。圖2.16 調(diào)制函數(shù)的實測波形假設(shè)吸收峰位于鋸齒波斜坡中間的位置，則有當(dāng)鋸齒波信號電壓為1.75V且正弦波為0時，光源輸出的頻率和氣體吸收峰重合。代入式2-3，即意味著，g=0+0.175。將此結(jié)果帶入式2-4，有：（式2-6）此外，對式2-5中的低頻鋸齒波分量進(jìn)行頻譜分析，MatLab的運算結(jié)果顯示，鋸齒波的能量只要集中在低次諧波。2.3 信號處理和鎖相放大電路2.3.1 電路功能及其在系統(tǒng)中的作用此電路模塊的主要功能是把信號中的和氣體吸收有關(guān)的二次諧

19、波分量提取出來，并進(jìn)行放大。電路首先把PIN管輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后提取中其中的高頻分量。由式2-5可以看出，高頻分量中不僅含有正弦波的信息，同時也含有低頻鋸齒波的信息，這是因為低頻鋸齒波調(diào)制了高頻正弦波。而鋸齒波的能量主要集中在低頻部分，因此可將鋸齒波看成是低頻正弦波的疊加。那么，根據(jù)上文原理部分的分析結(jié)論，高頻部分就應(yīng)該主要包括以下幾個頻率分量：50kHz正弦波以及因此產(chǎn)生的100kHz二次諧波和200kHz四次諧波，50kHz和50Hz相乘產(chǎn)生的和、差頻信號，以及和、差頻信號的倍頻信號。由于50kHz正弦波的信號強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他頻率分量，因此高通濾波器輸出的波形仍然非常接近于

20、50kHz正弦波。波形如圖2.17所示。圖2.17 高通濾波器輸出波形由于包含氣體濃度信息的二次諧波淹沒在了基波信號中，因此需要采用鎖相放大的方法將二次諧波提取出來?，F(xiàn)在來對高通濾波的輸出信號建立一個簡易的模型，根據(jù)上文所述，可將PIN管輸出的高頻分量分為7個部分，假設(shè)0=100k，1=200k，2=100。則高頻可表示為：（式2-7）其中，A表示50kHz分量幅值，B1、B2表示含有氣體濃度的二倍頻以及四倍頻信號，D1、D2、D3、D4表示50kHz和50Hz產(chǎn)生的和、差頻信號及其倍頻信號。鎖相放大器是由一個乘法器和一個積分器構(gòu)成，其原理框圖如圖2.18所示。圖中待測信號方程中的N(t)代表

21、噪聲，積分器則由低通濾波器替代。圖2.18 鎖相放大原理框圖現(xiàn)在來看式2-7所代表的高頻分量通過鎖相放大器后的輸出。雖然實際系統(tǒng)中的參考信號用的是100kHz的方波，但由于其能量主要集中在基波，因此這里仍將其視作100kHz正弦波。那么，fh(t）通過乘法器后的輸出即為式2-7中的7個分量與100kHz正弦波產(chǎn)生的和、差頻信號，這些信號的頻率一共有14個（展開式太長，這里就不寫出來了）。其中有三個是低頻信號，分別是100kHz的二倍頻信號和100kHz參考信號形成的差頻直流信號，以及式2-7中后兩項與參考信號形成的頻率為100Hz的低頻信號。由于余弦函數(shù)是偶函數(shù)，則三個低頻信號中的后兩個可以合

22、并為一個100Hz低頻信號。當(dāng)然，由于實際系統(tǒng)中的高頻成分復(fù)雜，因此這兩個低頻分量只是鎖相放大器的主要分量，基本決定了鎖相放大器的輸出波形。由于這兩個低頻分量均和50kHz的高次諧波相關(guān)，因此這兩個分量均還有氣體濃度信息。實測的鎖相放大器輸出如圖2.19中黃色曲線所示。圖2.19 鎖相放大器輸出信號基于以上分析，可知本電路模塊主要包括光電轉(zhuǎn)換電路，前置放大電路和鎖相放大電路。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2.20所示。圖2.20 信號處理和鎖相放大電路結(jié)構(gòu)框圖2.3.2電路模塊分析首先來看光電轉(zhuǎn)換電路，系統(tǒng)通過一個PIN管來接收光信號，并通過運放來實現(xiàn)跨阻放大。電路原理圖如圖2.21所示。圖2.21 光電轉(zhuǎn)換

23、電路原理圖如圖2.21所示，運放的負(fù)反饋在2、3腳形成虛斷路，故通過R253的電流和通過PIN的電流相同。由于PIN管的電流和光強信號呈線性關(guān)系，那么PIN-Receive的電壓信號即和光強信號一致。這就表明，算法中對光強信號的分析可以轉(zhuǎn)化為對PIN-Receive處的電壓信號的分析。下面來看前置放大和高通濾波電路，其原理圖如圖2.22所示。圖2.22 前置放大和高通濾波電路如圖2.22所示，U221是一個運放構(gòu)成的電壓跟隨器，作用是做前級的隔離。仿真顯示，此電路的截止頻率為10kHz，在50kHz處的增益為8.7。電路交流特性的仿真結(jié)果如圖2.23所示。圖2.24為電路的實測輸入波形，高通濾波電路的輸出波形即是上文中的圖2.17。圖2.23 高通濾波電路交流特性仿真結(jié)果圖 2.24 高通濾波電路輸入信號（即PIN-Receive信號）為了使輸入波形的峰-峰值看得更清楚，圖2.24給出的是示波器在欠采樣情況下顯示的輸入波形。從圖中可以看出，其峰-峰值約為0.3V，圖2.17中輸出信號的峰-峰值約為2.5V，考慮到噪聲因素，和仿真的結(jié)果相當(dāng)。下面來看鎖相放大電路，鎖相放大