發(fā)布時間：2021-04-09 17:21

　　針對測量動態(tài)范圍大、室外環(huán)境溫度變化劇烈等因素,設計了寬溫度范圍（-40～60℃）緊湊型全量程激光甲烷探頭.為減小傳感器體積,電路采用層疊結構設計,通過單片機STM32F405實現(xiàn)激光器溫度控制、波長掃描調制、數(shù)字鎖相放大及濃度信息實時反演.電路系統(tǒng)和測量氣室封裝在僅Φ35 mm×60 mm的不銹鋼外殼內,中間有窗片實現(xiàn)物理隔離,確保本質安全.低濃度時使用波長調制技術,保證探頭測量精度和測量下限;高濃度時,使用直接吸收光譜技術,保證量程和線性度.在25℃標準大氣壓下,低濃度（<2%）測量誤差小于±5.00×10^-4,檢出限為2.24×10^-4,在允許基線校準或者背景扣除的條件下,測量下限可以提高到6.026×10^-5;高濃度（2～100%）測量誤差小于真值的±5%.在-40～60℃環(huán)境溫度下,分別使用1.2%和20%標準氣體進行溫度性能測試,最大相對測量誤差為-3.3%和-3.15%,完全滿足國家相關標準要求,可廣泛應用于城市綜合管廊、天然氣管道及站場泄露監(jiān)測、煤礦安全預警等場合. 

【文章來源】：光子學報. 2020,49(10)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

CH4、CO2和H2O在1653.72 nm吸收譜線強度

圖1 CH4、CO2和H2O在1653.72 nm吸收譜線強度吸收譜線強度是溫度的函數(shù)，隨著環(huán)境溫度變化分子吸收強度也會變化.甲烷分子1 653.72 nm吸收譜線在25℃時吸收線強為3.155 2×10-21cm/mol，在-40℃時，吸收強度增大了33.12%;60℃時則減小了13.51%.圖1(b）吸收線強度隨溫度近似線性變化，可利用這一特性對傳感探頭進行實時溫度補償，以克服環(huán)境溫度變化引起的測量誤差[18]，提高激光甲烷探頭在室外高溫和寒冷地區(qū)的適用性.

探頭采用一體化設計，如圖2所示，分為上下兩層，上層為電路系統(tǒng)，包括兩層電路板、激光器、光電探測器等；下層為光機系統(tǒng)，包括反射鏡和測量氣室，設計有效吸收光程10 cm.所有元件膠封在不銹鋼外殼內，使探頭具有抗振動和沖擊的能力.激光束穿過窗片，到達測量氣室，幾次反射后聚焦到光電探測器上，這種光電隔離設計避免了易燃易爆的甲烷氣體和電路部分接觸，提高了探頭本身的安全性能.測量氣室在探頭底部，通過具有防水透氣的冶金粉末濾網(wǎng)、鋼網(wǎng)與外部連接，可有效防止粉塵、水等進入氣室污染鏡片，影響測量和使用壽命，提高探頭在惡劣環(huán)境中應用的魯棒性.電路部分由兩片直徑為3 cm的圓形電路層疊構成，上層電路負責信號處理，下層電路負責激光器內部溫度控制.圖3為該探頭電路部分結構功能示意圖，為減少溫控電路開關噪聲對信號的影響，設計了三通道獨立直流電源.溫度控制電路功耗大，采用輸入電源濾波后直接供電；激光器驅動和信號處理部分電路對噪聲比較敏感，分別使用CH1、CH2兩路直流穩(wěn)壓電路供電，進一步穩(wěn)壓和濾波，以減小電源紋波.除此之外，激光器驅動電路電源通過單片機使能控制，便于激光器上電保護電路設計；溫控部分也通過單片機使能控制，有利于減小探頭上電沖擊.激光器在單片機控制下穩(wěn)定地輸出固定中心波長的激光束，激光透過吸收池由光電探測器將光信號轉化為電信號，經前置放大和一級濾波后，高速模數(shù)轉換器完成數(shù)字量化，軟件實現(xiàn)帶通濾波、數(shù)字放大、數(shù)字鎖相放大、諧波信號提取、正弦幅值提取，然后依據(jù)諧波信號或者直接吸收信號進行濃度實時反演，同時結合吸收池內溫度壓力傳感器測到的數(shù)值進行實時溫度補償處理.由式（5）可知，光路偏折、窗口污染、水汽凝結、激光器出光功率波動、探測器響應度變化等引起的光強波動均會影響諧波信號的幅值，采用無吸收區(qū)域正弦幅值消除光強變化對測量的影響[18].

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3128015