宽温紧凑型全量程激光甲烷传感探头设计
发布时间：2021-04-09 17:21
针对测量动态范围大、室外环境温度变化剧烈等因素,设计了宽温度范围（-40～60℃）紧凑型全量程激光甲烷探头.为减小传感器体积,电路采用层叠结构设计,通过单片机STM32F405实现激光器温度控制、波长扫描调制、数字锁相放大及浓度信息实时反演.电路系统和测量气室封装在仅Φ35 mm×60 mm的不锈钢外壳内,中间有窗片实现物理隔离,确保本质安全.低浓度时使用波长调制技术,保证探头测量精度和测量下限;高浓度时,使用直接吸收光谱技术,保证量程和线性度.在25℃标准大气压下,低浓度（<2%）测量误差小于±5.00×10-4,检出限为2.24×10-4,在允许基线校准或者背景扣除的条件下,测量下限可以提高到6.026×10-5;高浓度（2～100%）测量误差小于真值的±5%.在-40～60℃环境温度下,分别使用1.2%和20%标准气体进行温度性能测试,最大相对测量误差为-3.3%和-3.15%,完全满足国家相关标准要求,可广泛应用于城市综合管廊、天然气管道及站场泄露监测、煤矿安全预警等场合.
【文章来源】：光子学报. 2020,49(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
CH4、CO2和H2O在1653.72 nm吸收谱线强度
图1 CH4、CO2和H2O在1653.72 nm吸收谱线强度吸收谱线强度是温度的函数，随着环境温度变化分子吸收强度也会变化.甲烷分子1 653.72 nm吸收谱线在25℃时吸收线强为3.155 2×10-21cm/mol，在-40℃时，吸收强度增大了33.12%;60℃时则减小了13.51%.图1(b）吸收线强度随温度近似线性变化，可利用这一特性对传感探头进行实时温度补偿，以克服环境温度变化引起的测量误差[18]，提高激光甲烷探头在室外高温和寒冷地区的适用性.
探头采用一体化设计，如图2所示，分为上下两层，上层为电路系统，包括两层电路板、激光器、光电探测器等；下层为光机系统，包括反射镜和测量气室，设计有效吸收光程10 cm.所有元件胶封在不锈钢外壳内，使探头具有抗振动和冲击的能力.激光束穿过窗片，到达测量气室，几次反射后聚焦到光电探测器上，这种光电隔离设计避免了易燃易爆的甲烷气体和电路部分接触，提高了探头本身的安全性能.测量气室在探头底部，通过具有防水透气的冶金粉末滤网、钢网与外部连接，可有效防止粉尘、水等进入气室污染镜片，影响测量和使用寿命，提高探头在恶劣环境中应用的鲁棒性.电路部分由两片直径为3 cm的圆形电路层叠构成，上层电路负责信号处理，下层电路负责激光器内部温度控制.图3为该探头电路部分结构功能示意图，为减少温控电路开关噪声对信号的影响，设计了三通道独立直流电源.温度控制电路功耗大，采用输入电源滤波后直接供电；激光器驱动和信号处理部分电路对噪声比较敏感，分别使用CH1、CH2两路直流稳压电路供电，进一步稳压和滤波，以减小电源纹波.除此之外，激光器驱动电路电源通过单片机使能控制，便于激光器上电保护电路设计；温控部分也通过单片机使能控制，有利于减小探头上电冲击.激光器在单片机控制下稳定地输出固定中心波长的激光束，激光透过吸收池由光电探测器将光信号转化为电信号，经前置放大和一级滤波后，高速模数转换器完成数字量化，软件实现带通滤波、数字放大、数字锁相放大、谐波信号提取、正弦幅值提取，然后依据谐波信号或者直接吸收信号进行浓度实时反演，同时结合吸收池内温度压力传感器测到的数值进行实时温度补偿处理.由式（5）可知，光路偏折、窗口污染、水汽凝结、激光器出光功率波动、探测器响应度变化等引起的光强波动均会影响谐波信号的幅值，采用无吸收区域正弦幅值消除光强变化对测量的影响[18].
【参考文献】：
期刊论文
[1]环境监测领域中光谱学技术进展[J]. 刘文清,陈臻懿,刘建国,谢品华,张天舒,赵南京,司福祺,胡仁志,殷高方. 光学学报. 2020(05)
[2]基于TDLAS技术的吸入便携式甲烷探测仪研制[J]. 刘杰,董洋,古明思,陈家金,谈图,高晓明. 量子电子学报. 2019(05)
[3]TDLAS测量CO2的温度影响修正方法研究[J]. 李峥辉,姚顺春,卢伟业,朱晓睿,邹丽昌,李越胜,卢志民. 光谱学与光谱分析. 2018(07)
[4]基于TDLAS技术的全量程激光甲烷传感器[J]. 庞涛,王煜,夏滑,张志荣,汤玉泉,董凤忠. 光子学报. 2016(09)
[5]基于柱面镜光学多通池的CH4高灵敏度探测[J]. 陈家金,赵卫雄,高晓明,张为俊. 光学学报. 2015(09)
[6]基于波长调制技术的近红外甲烷检测仪[J]. 黄渐强,翟冰,叶玮琳,郑传涛,王一丁. 光电子.激光. 2014(05)
[7]基于激光吸收光谱开放式长光程的空气中甲烷在线监测及分析[J]. 夏慧,刘文清,张玉钧,阚瑞峰,崔益本,王敏,何莹,崔小娟,阮俊,耿辉. 光学学报. 2009(06)
[8]可调谐二极管激光吸收光谱技术及其在大气质量监测中的应用[J]. 董凤忠,阚瑞峰,刘文清,刘建国,张玉钧,高山虎,王铁栋,王敏,陈东,魏庆农. 量子电子学报. 2005(03)
本文编号：3128015
【文章来源】：光子学报. 2020,49(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
CH4、CO2和H2O在1653.72 nm吸收谱线强度
图1 CH4、CO2和H2O在1653.72 nm吸收谱线强度吸收谱线强度是温度的函数，随着环境温度变化分子吸收强度也会变化.甲烷分子1 653.72 nm吸收谱线在25℃时吸收线强为3.155 2×10-21cm/mol，在-40℃时，吸收强度增大了33.12%;60℃时则减小了13.51%.图1(b）吸收线强度随温度近似线性变化，可利用这一特性对传感探头进行实时温度补偿，以克服环境温度变化引起的测量误差[18]，提高激光甲烷探头在室外高温和寒冷地区的适用性.
探头采用一体化设计，如图2所示，分为上下两层，上层为电路系统，包括两层电路板、激光器、光电探测器等；下层为光机系统，包括反射镜和测量气室，设计有效吸收光程10 cm.所有元件胶封在不锈钢外壳内，使探头具有抗振动和冲击的能力.激光束穿过窗片，到达测量气室，几次反射后聚焦到光电探测器上，这种光电隔离设计避免了易燃易爆的甲烷气体和电路部分接触，提高了探头本身的安全性能.测量气室在探头底部，通过具有防水透气的冶金粉末滤网、钢网与外部连接，可有效防止粉尘、水等进入气室污染镜片，影响测量和使用寿命，提高探头在恶劣环境中应用的鲁棒性.电路部分由两片直径为3 cm的圆形电路层叠构成，上层电路负责信号处理，下层电路负责激光器内部温度控制.图3为该探头电路部分结构功能示意图，为减少温控电路开关噪声对信号的影响，设计了三通道独立直流电源.温度控制电路功耗大，采用输入电源滤波后直接供电；激光器驱动和信号处理部分电路对噪声比较敏感，分别使用CH1、CH2两路直流稳压电路供电，进一步稳压和滤波，以减小电源纹波.除此之外，激光器驱动电路电源通过单片机使能控制，便于激光器上电保护电路设计；温控部分也通过单片机使能控制，有利于减小探头上电冲击.激光器在单片机控制下稳定地输出固定中心波长的激光束，激光透过吸收池由光电探测器将光信号转化为电信号，经前置放大和一级滤波后，高速模数转换器完成数字量化，软件实现带通滤波、数字放大、数字锁相放大、谐波信号提取、正弦幅值提取，然后依据谐波信号或者直接吸收信号进行浓度实时反演，同时结合吸收池内温度压力传感器测到的数值进行实时温度补偿处理.由式（5）可知，光路偏折、窗口污染、水汽凝结、激光器出光功率波动、探测器响应度变化等引起的光强波动均会影响谐波信号的幅值，采用无吸收区域正弦幅值消除光强变化对测量的影响[18].
【参考文献】：
期刊论文
[1]环境监测领域中光谱学技术进展[J]. 刘文清,陈臻懿,刘建国,谢品华,张天舒,赵南京,司福祺,胡仁志,殷高方. 光学学报. 2020(05)
[2]基于TDLAS技术的吸入便携式甲烷探测仪研制[J]. 刘杰,董洋,古明思,陈家金,谈图,高晓明. 量子电子学报. 2019(05)
[3]TDLAS测量CO2的温度影响修正方法研究[J]. 李峥辉,姚顺春,卢伟业,朱晓睿,邹丽昌,李越胜,卢志民. 光谱学与光谱分析. 2018(07)
[4]基于TDLAS技术的全量程激光甲烷传感器[J]. 庞涛,王煜,夏滑,张志荣,汤玉泉,董凤忠. 光子学报. 2016(09)
[5]基于柱面镜光学多通池的CH4高灵敏度探测[J]. 陈家金,赵卫雄,高晓明,张为俊. 光学学报. 2015(09)
[6]基于波长调制技术的近红外甲烷检测仪[J]. 黄渐强,翟冰,叶玮琳,郑传涛,王一丁. 光电子.激光. 2014(05)
[7]基于激光吸收光谱开放式长光程的空气中甲烷在线监测及分析[J]. 夏慧,刘文清,张玉钧,阚瑞峰,崔益本,王敏,何莹,崔小娟,阮俊,耿辉. 光学学报. 2009(06)
[8]可调谐二极管激光吸收光谱技术及其在大气质量监测中的应用[J]. 董凤忠,阚瑞峰,刘文清,刘建国,张玉钧,高山虎,王铁栋,王敏,陈东,魏庆农. 量子电子学报. 2005(03)
本文编号：3128015
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3128015.html
