可调谐DFB半导体激光器的甲烷检测传感器
发布时间:2022-01-20 07:17
为提高甲烷浓度的检测精度,根据红外吸收光谱检测原理,推导了气体浓度跟二次谐波与一次谐波之比的关系,并利用可调谐DFB半导体激光器设计了甲烷浓度检测传感器。通过1 kHz的正弦电流叠加到激光器的电源进行调制,使光束扫描波长为3.312μm处的吸收峰,从而在碲镉汞红外探测器上产生谐波信号。同时,利用相敏检波技术设计了微弱信号处理电路,通过前置放大、带通滤波、相敏检波、直流放大等有效抑制了信道噪声,实现了对一次和二次谐波的高精度提取。实验结果表明:设计的甲烷浓度检测传感器具有较高的测量精度和稳定度,在0%~20%的量程上,最大误差不超过0.65%,平均误差仅为0.41%,可应用于在煤矿开采和化工生产中对甲烷泄漏的监测。
【文章来源】:实验室研究与探索. 2020,39(01)北大核心
【文章页数】:6 页
【部分图文】:
甲烷浓度检测传感器整体结构
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。3.1 相敏检波器设计
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。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]。
【参考文献】:
期刊论文
[1]基于数字锁相放大器的甲烷气体检测仪设计[J]. 范丛山. 电子器件. 2018(06)
[2]深部煤层超临界甲烷吸附量预测研究[J]. 柴琳,吴世跃,牛煜,魏杰. 矿业安全与环保. 2018(04)
[3]分布式激光甲烷检测系统振动干扰诊断与辨识[J]. 郭清华. 工矿自动化. 2018(08)
[4]脉冲式阵列量子级联激光器的气体检测仪[J]. 王昆,李明. 电子器件. 2018(03)
[5]抗中毒甲烷浓度检测仪研制[J]. 柴大林,丁喜波,于洋. 哈尔滨理工大学学报. 2018(03)
[6]基于FPGA弱小信号测量系统研究与实现[J]. 任全会,杨保海. 实验室研究与探索. 2018(03)
[7]外辐射源雷达参考信号提纯方法[J]. 陈刚,王俊,王珏,郭帅,宋海婷,邢玉帅. 系统工程与电子技术. 2018(01)
[8]差频产生中红外光源及甲烷气体光谱检测[J]. 戴峰,常建华,房久龙,唐安庆. 电子测量与仪器学报. 2017(09)
[9]一种高精度中红外大气甲烷传感系统的研制[J]. 叶玮琳,何迅,孟永贤,郑志丹,郑传涛. 光子学报. 2017(11)
[10]PID参数整定的半导体激光器温度控制[J]. 赵斌,李昊. 沈阳工业大学学报. 2017(04)
本文编号:3598402
【文章来源】:实验室研究与探索. 2020,39(01)北大核心
【文章页数】:6 页
【部分图文】:
甲烷浓度检测传感器整体结构
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。3.1 相敏检波器设计
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。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]。
【参考文献】:
期刊论文
[1]基于数字锁相放大器的甲烷气体检测仪设计[J]. 范丛山. 电子器件. 2018(06)
[2]深部煤层超临界甲烷吸附量预测研究[J]. 柴琳,吴世跃,牛煜,魏杰. 矿业安全与环保. 2018(04)
[3]分布式激光甲烷检测系统振动干扰诊断与辨识[J]. 郭清华. 工矿自动化. 2018(08)
[4]脉冲式阵列量子级联激光器的气体检测仪[J]. 王昆,李明. 电子器件. 2018(03)
[5]抗中毒甲烷浓度检测仪研制[J]. 柴大林,丁喜波,于洋. 哈尔滨理工大学学报. 2018(03)
[6]基于FPGA弱小信号测量系统研究与实现[J]. 任全会,杨保海. 实验室研究与探索. 2018(03)
[7]外辐射源雷达参考信号提纯方法[J]. 陈刚,王俊,王珏,郭帅,宋海婷,邢玉帅. 系统工程与电子技术. 2018(01)
[8]差频产生中红外光源及甲烷气体光谱检测[J]. 戴峰,常建华,房久龙,唐安庆. 电子测量与仪器学报. 2017(09)
[9]一种高精度中红外大气甲烷传感系统的研制[J]. 叶玮琳,何迅,孟永贤,郑志丹,郑传涛. 光子学报. 2017(11)
[10]PID参数整定的半导体激光器温度控制[J]. 赵斌,李昊. 沈阳工业大学学报. 2017(04)
本文编号:3598402
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