為提高甲烷濃度的檢測(cè)精度,根據(jù)紅外吸收光譜檢測(cè)原理,推導(dǎo)了氣體濃度跟二次諧波與一次諧波之比的關(guān)系,并利用可調(diào)諧DFB半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)了甲烷濃度檢測(cè)傳感器。通過(guò)1 kHz的正弦電流疊加到激光器的電源進(jìn)行調(diào)制,使光束掃描波長(zhǎng)為3.312μm處的吸收峰,從而在碲鎘汞紅外探測(cè)器上產(chǎn)生諧波信號(hào)。同時(shí),利用相敏檢波技術(shù)設(shè)計(jì)了微弱信號(hào)處理電路,通過(guò)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(shí)現(xiàn)了對(duì)一次和二次諧波的高精度提取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:設(shè)計(jì)的甲烷濃度檢測(cè)傳感器具有較高的測(cè)量精度和穩(wěn)定度,在0%～20%的量程上,最大誤差不超過(guò)0.65%,平均誤差僅為0.41%,可應(yīng)用于在煤礦開采和化工生產(chǎn)中對(duì)甲烷泄漏的監(jiān)測(cè)。 

【文章來(lái)源】：實(shí)驗(yàn)室研究與探索. 2020,39(01)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：6 頁(yè)

【部分圖文】：

甲烷濃度檢測(cè)傳感器整體結(jié)構(gòu)

從碲鎘汞紅外探測(cè)器中輸出的電流十分微弱,而在光譜測(cè)量過(guò)程中極易受到環(huán)境輻射的干擾,同時(shí),光源及紅外探測(cè)器內(nèi)部的噪聲也容易淹沒有用信號(hào),從而增大測(cè)量誤差。為了實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量,微弱信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)顯得尤為關(guān)鍵,需盡可能提高信號(hào)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(hào)從噪聲中提取出來(lái),而單純的窄帶濾波很難將諧波信號(hào)提取,故本文利用了相關(guān)檢測(cè)原理設(shè)計(jì)鎖相放大器,微弱信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。3.1 相敏檢波器設(shè)計(jì)

碲鎘汞紅外探測(cè)感應(yīng)紅外光后,輸出非常微弱的電流,為了便于處理,設(shè)計(jì)了前置放大電路,將電流信號(hào)變?yōu)槌杀壤碾妷盒盘?hào),前置放大電路如圖3所示。首先通過(guò)前置放大電路將微弱的電流信號(hào)變成電壓信號(hào),這里采用了跨阻抗運(yùn)放芯片OPA380,偏置電流小于10 pA,跨阻抗帶寬大于1 MHz,因?yàn)檫\(yùn)算放大器OPA380的輸入電阻很大,可認(rèn)為流向運(yùn)放2端口的電流Id非常小,也就是說(shuō)從紅外探測(cè)器輸出的電流均流經(jīng)了R1,那么前置放大器的輸出電壓為Id×R1。由本文的選取設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行估算,紅外探測(cè)器的靈敏度1 A/W,而從DFB激光器到達(dá)紅外探測(cè)器的光強(qiáng)約為1 μW,可知輸出的電流Id=1 μW×1 A/W=1 μA。由于運(yùn)放兩個(gè)輸入端“虛短”,估算運(yùn)放的輸出電壓為Id×R1=16 mV。另外,為了避免產(chǎn)生自激振蕩,在反饋電阻R1上并聯(lián)了電容C1對(duì)相位補(bǔ)償,從而消除由紅外探測(cè)器引入的相位延時(shí)問(wèn)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(guò)大,過(guò)大會(huì)無(wú)形中引入熱噪聲,淹沒待測(cè)的有用信號(hào)。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(shè)計(jì)了增益可調(diào)的放大電路,本文的重點(diǎn)考慮了增益、噪聲和溫度漂移等指標(biāo),選取運(yùn)放芯片AD620設(shè)計(jì)了可調(diào)放大電路,放大倍數(shù)為1+Rp/R3,Rp在這里采用了可調(diào)電阻,便于靈活調(diào)整放大倍數(shù)[12]。

【參考文獻(xiàn)】：
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