為提高甲烷濃度的檢測精度,根據紅外吸收光譜檢測原理,推導了氣體濃度跟二次諧波與一次諧波之比的關系,并利用可調諧DFB半導體激光器設計了甲烷濃度檢測傳感器。通過1 kHz的正弦電流疊加到激光器的電源進行調制,使光束掃描波長為3.312μm處的吸收峰,從而在碲鎘汞紅外探測器上產生諧波信號。同時,利用相敏檢波技術設計了微弱信號處理電路,通過前置放大、帶通濾波、相敏檢波、直流放大等有效抑制了信道噪聲,實現了對一次和二次諧波的高精度提取。實驗結果表明:設計的甲烷濃度檢測傳感器具有較高的測量精度和穩(wěn)定度,在0%～20%的量程上,最大誤差不超過0.65%,平均誤差僅為0.41%,可應用于在煤礦開采和化工生產中對甲烷泄漏的監(jiān)測。 

【文章來源】：實驗室研究與探索. 2020,39(01)北大核心

【文章頁數】：6 頁

【部分圖文】：

甲烷濃度檢測傳感器整體結構

從碲鎘汞紅外探測器中輸出的電流十分微弱,而在光譜測量過程中極易受到環(huán)境輻射的干擾,同時,光源及紅外探測器內部的噪聲也容易淹沒有用信號,從而增大測量誤差。為了實現高精度的測量,微弱信號處理電路的設計顯得尤為關鍵,需盡可能提高信號處理的抗干擾能力,改善信噪比,將有用的一次諧波和二次諧波信號從噪聲中提取出來,而單純的窄帶濾波很難將諧波信號提取,故本文利用了相關檢測原理設計鎖相放大器,微弱信號處理電路結構如圖2所示。3.1 相敏檢波器設計

碲鎘汞紅外探測感應紅外光后,輸出非常微弱的電流,為了便于處理,設計了前置放大電路,將電流信號變?yōu)槌杀壤碾妷盒盘?前置放大電路如圖3所示。首先通過前置放大電路將微弱的電流信號變成電壓信號,這里采用了跨阻抗運放芯片OPA380,偏置電流小于10 pA,跨阻抗帶寬大于1 MHz,因為運算放大器OPA380的輸入電阻很大,可認為流向運放2端口的電流Id非常小,也就是說從紅外探測器輸出的電流均流經了R1,那么前置放大器的輸出電壓為Id×R1。由本文的選取設備的參數進行估算,紅外探測器的靈敏度1 A/W,而從DFB激光器到達紅外探測器的光強約為1 μW,可知輸出的電流Id=1 μW×1 A/W=1 μA。由于運放兩個輸入端“虛短”,估算運放的輸出電壓為Id×R1=16 mV。另外,為了避免產生自激振蕩,在反饋電阻R1上并聯了電容C1對相位補償,從而消除由紅外探測器引入的相位延時問題,增加了電路的穩(wěn)定性。由于反饋電阻R1的阻值大小決定了輸出電壓的大小,但取值也不能過大,過大會無形中引入熱噪聲,淹沒待測的有用信號。由于從前置電路輸出的電壓較小,為了便于后續(xù)的濾波和檢波處理,又設計了增益可調的放大電路,本文的重點考慮了增益、噪聲和溫度漂移等指標,選取運放芯片AD620設計了可調放大電路,放大倍數為1+Rp/R3,Rp在這里采用了可調電阻,便于靈活調整放大倍數[12]。

【參考文獻】：
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本文編號：3598402