近红外光纤水气传感器的关键技术研究

发布时间：2017-12-11 19:06

  本文关键词：近红外光纤水气传感器的关键技术研究

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【摘要】：随着石油化工、深海勘探、航空航天等国家支柱型产业及食品安全、电力传送、大气污染检测等事关国计民生行业的发展,不仅对易燃、易爆、有毒气体传感器的需求越来越多,而且对水气传感器的需求也在逐年增加,使用范围也越来越广泛。作为光纤传感技术的典型代表,光纤气体传感技术因其灵敏度高、精度好,具有大测量范围,响应快,并可以实现长期连续地在线检测等技术优势获得了电力、建筑、交通、石油、化工、医疗、环保等领域的青睐。不仅事关国计民生,利用激光与气体分子的相互作用实现对气体信息(种类、浓度、压强、温度、流速等)的检测和传导也一直是科学领域内最重要的研究内容之一。对于水气而言,其在中红外处的基频吸收谱线具有最强的线吸收强度,但该波长区域内的光源与光电转换材料昂贵、可控性差,不利于产业化的实现。本文的研究过程中所采用的光源为1370 nm的DFB (Distributed Feed Back)半导体激光器,对应波长处水气虽然不具有最强的吸收线,但是此光源具有极好的性能(窄线宽,MHz量级；高功率密度；易于调制等)。另外接收此波长的半导体探测器也比较成熟,因此我们选用此波长范围内的水气吸收谱线作为研究对象。在水气传感器的研发和生产过程中,产品能否保持长久的可靠性已经成为限制产品质量提高的关键问题之一。本文着重研究了光纤水气传感器的关键技术以提升光纤水气传感器的探测分辨率、可靠性等性能指标,并开展了多参量气体传感的研究,实现对水气浓度和气体压强信息的同步检测,此研究结果对推进光纤水气传感器的实用化具有十分重要的意义。本文的具体研究内容为：(1)介绍了一种基于双吸收峰峰值差技术来实现水气浓度的探测。当采用单吸收峰对应的吸收光谱谱线来解调水气浓度时,需要确定从吸收谱线中确定对应的吸收强度大小的峰值差。峰值差的确定一般选取吸收峰峰值处与非吸收处对应的光电信号值之间的差值。但是非吸收峰值位置的选取存在一定的不确定性,另外随机噪声对吸收峰峰值处的影响要小于对非吸收位置处光电信号的影响。本技术将解决从水气吸收谱线中选取参考点位置时的不确定性,并通过此方法来提升传感器对随机噪声的抗干扰能力。(2)基于Ebers-Moll模型设计出了改进型BRD (Balanced Ratiometric Detection)检测电路。此电路是一种新型的电噪声消除技术,主要用来消除包括激光器光强噪声、探测器散粒噪声等,可以应用于双光路光纤气体传感系统的解调中。在检测过程中,此电路可实现光电流的直接归一化,而省去了传统归一化解调电路中先将光电流转化为电压信号,然后利用电压相减或相除才能实现归一化的繁琐过程。此归一化方式避免了此过程中可能产生的相位差异和在光电流至电压转换过程中电压噪声的引入。在测试试验中,此改进型BRD检测电路相比与改进前电路在对光源波动抑制率上从53 dB提升到了88 dB。本工作内容对水气实现了71.8ppbv (parts per billion by volume)的高分辨率检测,使得利用低成本解调电路实现气体的高分辨率检测成为了可能。(3)研究了波长扫描与强度调制相结合的技术方案。结合了直接吸收法中波长扫描吸收光谱技术和强度调制技术的技术优势,即对于直接吸收法波长扫描光谱技术来说最大的技术优势是解调得到的曲线直接对应气体吸收谱线而无需复杂的反演换算；而对于高频强度调制来说,最大的技术优势是高频(与调制频率相同)解调下极低的系统1/f噪声,同时结合锁相放大器的使用进一步压制了其通带外的噪声。我们基于以上构想设计并组装了实验系统,对水气的检测实验显示,解调得到的吸收谱线与理论计算得到的吸收谱线误差控制在1%以内,用10 cm吸收光路长度气室实现对水气的检测分辨率达到了43 ppbv。(4)阐释了光纤水气传感器中额外吸收性干扰的来源,具体分析了光学器件蝶形封装的DFB半导体激光器、同轴型封装的PIN光电探测器以及光纤准直器的封装结构。在这些器件的封装的内部因工作原理的需要而存留了部分空隙,为额外待测气体进入光路中发生额外吸收提供了可能。为此我们提出了基于光电探测器配对重组法和长光程稀释法两种方案来实现对应用测量过程中的额外吸收性干扰的抑制,且抑制效果分别为从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)检测技术中二次谐波波形畸变产生的原因,并提出了基于BRD的双光束TDLAS/WMS技术来实现二次谐波波形的校正。此技术结合了BRD检测技术和WMS技术。基于DFB半导体激光器的TDLAS/WMS检测技术中二次谐波波形畸变主要来源于半导体激光器普遍存在的剩余幅度调制RAM和激光功率变化LPV,在基于BRD的双光束TDLAS/WMS技术的测试实验中,这部分因素对二次谐波波形畸变的贡献大部分被消除,这是因为RAM和LPV的影响在BRD检测电路中以光电流归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问题。此研究内容为解决水气检测的工程化应用中谐波波形畸变以及提升气体浓度的探测分辨率提供了非常重要的参考,显著简化了冗杂的波形分析并免去了进一步补偿的麻烦。为实现TDLAS/WMS技术在气体检测的工程应用中潜力的最大化提供了可能(6)对于水气在1368.597 nm处的吸收谱线,当气体压强升高时其FWHM(full width at half maximum)的值会线性增加,例如对应8 atm/296 K时,水气吸收谱线的半高全宽值为FWHM=278.4 pm。但对于此波段内的DFB半导体激光器,当通过电流调制后其调制范围往往处于200-300 pm内,无法完成对整条吸收谱线的扫描。我们研究了在扫描范围有限条件下的气体浓度检测技术。此项技术仍依靠基于DFB半导体激光器的TDLAS,但同时结合了Levenberg Marquardt算法的最小二乘法技术。此项技术可以实现水气浓度和探测区域内气体压强的同时测量,利用拟合得到的完整吸收谱线提取吸收峰峰值与基线之间的差值进一步解调水气的浓度信号,在样机测试中我们获得了20 ppmv的测量精度；利用拟合得到的完整的单条吸收谱线提取FWHM,进而借助FWHM与标准条件下吸收谱的FWHM的比值实现对待测区域内气体压强的测量,在样机测试中我们获得了5%的测量精度。在本论文的完成过程中,主要的创新点有：(1)首次提出双吸收峰峰值差水气传感方法。对于光谱吸收式气体传感器,气体对光强的吸收强度是解调气体浓度信息的最重要的参数。通常吸收强度的确定需要检测吸收峰峰值与吸收谱线基线之间的差值,对于单吸收线来讲吸收谱线基线的确定存在不确定性,特别是对应噪声大、吸收谱线展宽大的时候。本方案中采用1368.597 nm和1367.862 nm处的两条吸收线作为研究对象,并利用两个吸收峰之间的差值实现对水气浓度的检测。(2)首次考虑光纤器件内的气体对痕量气体传感效果的影响并提出有效消除／抑制方法。本文中将这种光纤器件内部水气对水气传感结果的影响定义为额外吸收性干扰,我们分析了主要光学器件(DFB半导体激光器、PIN光电探测器及光纤准直器)的内部机械结构,理清了额外吸收性干扰的来源,提出并验证了光电探测器配对重组法、长光程稀释法两种方案来抑制额外吸收性干扰的影响,此方案适合应用于实用化的光纤水气传感器的设计中。(3)改进了BRD检测电路并成功应用于对水气的光纤传感解调,利用电导率匹配的方案实现了对基于Ebers-Moll模型而设计的BRD检测电路的改进。此电路适用于双光路气体检测系统的解调,可实现宽通带范围内光电流噪声的消除,并能将两路光以光电流的形式实现归一化,解决了传统归一化方案中电流到电压转换过程中的一系列问题。(4)提出了基于BRD的双光束TDLAS/WMS技术,实现了二次谐波波形的校正。二次谐波波形畸变主要来源于半导体激光器普遍存在的剩余幅度调制RAM和激光功率变化LPV,在基于BRD的双光束TDLAS/WMS技术的测试实验中,这部分因素对二次谐波波形畸变的贡献被大部分消除,简化了光谱吸收式气体传感器中对光谱的分析过程。(5)实现了对水气浓度和背景气体压强的同步检测。在实施方案中我们结合了TDLAS和Levenberg Marquardt算法实现了对不完整吸收谱线的拟合,并利用拟合得到的吸收谱线对水气浓度和背景气体压强实现同步检测。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
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本文编号：1279568