本文關(guān)鍵詞：近紅外光纖水氣傳感器的關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：隨著石油化工、深�？碧�、航空航天等國(guó)家支柱型產(chǎn)業(yè)及食品安全、電力傳送、大氣污染檢測(cè)等事關(guān)國(guó)計(jì)民生行業(yè)的發(fā)展,不僅對(duì)易燃、易爆、有毒氣體傳感器的需求越來越多,而且對(duì)水氣傳感器的需求也在逐年增加,使用范圍也越來越廣泛。作為光纖傳感技術(shù)的典型代表,光纖氣體傳感技術(shù)因其靈敏度高、精度好,具有大測(cè)量范圍,響應(yīng)快,并可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期連續(xù)地在線檢測(cè)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)獲得了電力、建筑、交通、石油、化工、醫(yī)療、環(huán)保等領(lǐng)域的青睞。不僅事關(guān)國(guó)計(jì)民生,利用激光與氣體分子的相互作用實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體信息(種類、濃度、壓強(qiáng)、溫度、流速等)的檢測(cè)和傳導(dǎo)也一直是科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)最重要的研究?jī)?nèi)容之一。對(duì)于水氣而言,其在中紅外處的基頻吸收譜線具有最強(qiáng)的線吸收強(qiáng)度,但該波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)的光源與光電轉(zhuǎn)換材料昂貴、可控性差,不利于產(chǎn)業(yè)化的實(shí)現(xiàn)。本文的研究過程中所采用的光源為1370 nm的DFB (Distributed Feed Back)半導(dǎo)體激光器,對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處水氣雖然不具有最強(qiáng)的吸收線,但是此光源具有極好的性能(窄線寬,MHz量級(jí)；高功率密度；易于調(diào)制等)。另外接收此波長(zhǎng)的半導(dǎo)體探測(cè)器也比較成熟,因此我們選用此波長(zhǎng)范圍內(nèi)的水氣吸收譜線作為研究對(duì)象。在水氣傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)過程中,產(chǎn)品能否保持長(zhǎng)久的可靠性已經(jīng)成為限制產(chǎn)品質(zhì)量提高的關(guān)鍵問題之一。本文著重研究了光纖水氣傳感器的關(guān)鍵技術(shù)以提升光纖水氣傳感器的探測(cè)分辨率、可靠性等性能指標(biāo),并開展了多參量氣體傳感的研究,實(shí)現(xiàn)對(duì)水氣濃度和氣體壓強(qiáng)信息的同步檢測(cè),此研究結(jié)果對(duì)推進(jìn)光纖水氣傳感器的實(shí)用化具有十分重要的意義。本文的具體研究?jī)?nèi)容為：(1)介紹了一種基于雙吸收峰峰值差技術(shù)來實(shí)現(xiàn)水氣濃度的探測(cè)。當(dāng)采用單吸收峰對(duì)應(yīng)的吸收光譜譜線來解調(diào)水氣濃度時(shí),需要確定從吸收譜線中確定對(duì)應(yīng)的吸收強(qiáng)度大小的峰值差。峰值差的確定一般選取吸收峰峰值處與非吸收處對(duì)應(yīng)的光電信號(hào)值之間的差值。但是非吸收峰值位置的選取存在一定的不確定性,另外隨機(jī)噪聲對(duì)吸收峰峰值處的影響要小于對(duì)非吸收位置處光電信號(hào)的影響。本技術(shù)將解決從水氣吸收譜線中選取參考點(diǎn)位置時(shí)的不確定性,并通過此方法來提升傳感器對(duì)隨機(jī)噪聲的抗干擾能力。(2)基于Ebers-Moll模型設(shè)計(jì)出了改進(jìn)型BRD (Balanced Ratiometric Detection)檢測(cè)電路。此電路是一種新型的電噪聲消除技術(shù),主要用來消除包括激光器光強(qiáng)噪聲、探測(cè)器散粒噪聲等,可以應(yīng)用于雙光路光纖氣體傳感系統(tǒng)的解調(diào)中。在檢測(cè)過程中,此電路可實(shí)現(xiàn)光電流的直接歸一化,而省去了傳統(tǒng)歸一化解調(diào)電路中先將光電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),然后利用電壓相減或相除才能實(shí)現(xiàn)歸一化的繁瑣過程。此歸一化方式避免了此過程中可能產(chǎn)生的相位差異和在光電流至電壓轉(zhuǎn)換過程中電壓噪聲的引入。在測(cè)試試驗(yàn)中,此改進(jìn)型BRD檢測(cè)電路相比與改進(jìn)前電路在對(duì)光源波動(dòng)抑制率上從53 dB提升到了88 dB。本工作內(nèi)容對(duì)水氣實(shí)現(xiàn)了71.8ppbv (parts per billion by volume)的高分辨率檢測(cè),使得利用低成本解調(diào)電路實(shí)現(xiàn)氣體的高分辨率檢測(cè)成為了可能。(3)研究了波長(zhǎng)掃描與強(qiáng)度調(diào)制相結(jié)合的技術(shù)方案。結(jié)合了直接吸收法中波長(zhǎng)掃描吸收光譜技術(shù)和強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì),即對(duì)于直接吸收法波長(zhǎng)掃描光譜技術(shù)來說最大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是解調(diào)得到的曲線直接對(duì)應(yīng)氣體吸收譜線而無需復(fù)雜的反演換算；而對(duì)于高頻強(qiáng)度調(diào)制來說,最大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是高頻(與調(diào)制頻率相同)解調(diào)下極低的系統(tǒng)1/f噪聲,同時(shí)結(jié)合鎖相放大器的使用進(jìn)一步壓制了其通帶外的噪聲。我們基于以上構(gòu)想設(shè)計(jì)并組裝了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)水氣的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)顯示,解調(diào)得到的吸收譜線與理論計(jì)算得到的吸收譜線誤差控制在1%以內(nèi),用10 cm吸收光路長(zhǎng)度氣室實(shí)現(xiàn)對(duì)水氣的檢測(cè)分辨率達(dá)到了43 ppbv。(4)闡釋了光纖水氣傳感器中額外吸收性干擾的來源,具體分析了光學(xué)器件蝶形封裝的DFB半導(dǎo)體激光器、同軸型封裝的PIN光電探測(cè)器以及光纖準(zhǔn)直器的封裝結(jié)構(gòu)。在這些器件的封裝的內(nèi)部因工作原理的需要而存留了部分空隙,為額外待測(cè)氣體進(jìn)入光路中發(fā)生額外吸收提供了可能。為此我們提出了基于光電探測(cè)器配對(duì)重組法和長(zhǎng)光程稀釋法兩種方案來實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用測(cè)量過程中的額外吸收性干擾的抑制,且抑制效果分別為從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)檢測(cè)技術(shù)中二次諧波波形畸變產(chǎn)生的原因,并提出了基于BRD的雙光束TDLAS/WMS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)二次諧波波形的校正。此技術(shù)結(jié)合了BRD檢測(cè)技術(shù)和WMS技術(shù)。基于DFB半導(dǎo)體激光器的TDLAS/WMS檢測(cè)技術(shù)中二次諧波波形畸變主要來源于半導(dǎo)體激光器普遍存在的剩余幅度調(diào)制RAM和激光功率變化LPV,在基于BRD的雙光束TDLAS/WMS技術(shù)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)中,這部分因素對(duì)二次諧波波形畸變的貢獻(xiàn)大部分被消除,這是因?yàn)镽AM和LPV的影響在BRD檢測(cè)電路中以光電流歸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問題。此研究?jī)?nèi)容為解決水氣檢測(cè)的工程化應(yīng)用中諧波波形畸變以及提升氣體濃度的探測(cè)分辨率提供了非常重要的參考,顯著簡(jiǎn)化了冗雜的波形分析并免去了進(jìn)一步補(bǔ)償?shù)穆闊�。為�?shí)現(xiàn)TDLAS/WMS技術(shù)在氣體檢測(cè)的工程應(yīng)用中潛力的最大化提供了可能(6)對(duì)于水氣在1368.597 nm處的吸收譜線,當(dāng)氣體壓強(qiáng)升高時(shí)其FWHM(full width at half maximum)的值會(huì)線性增加,例如對(duì)應(yīng)8 atm/296 K時(shí),水氣吸收譜線的半高全寬值為FWHM=278.4 pm。但對(duì)于此波段內(nèi)的DFB半導(dǎo)體激光器,當(dāng)通過電流調(diào)制后其調(diào)制范圍往往處于200-300 pm內(nèi),無法完成對(duì)整條吸收譜線的掃描。我們研究了在掃描范圍有限條件下的氣體濃度檢測(cè)技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)仍依靠基于DFB半導(dǎo)體激光器的TDLAS,但同時(shí)結(jié)合了Levenberg Marquardt算法的最小二乘法技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)水氣濃度和探測(cè)區(qū)域內(nèi)氣體壓強(qiáng)的同時(shí)測(cè)量,利用擬合得到的完整吸收譜線提取吸收峰峰值與基線之間的差值進(jìn)一步解調(diào)水氣的濃度信號(hào),在樣機(jī)測(cè)試中我們獲得了20 ppmv的測(cè)量精度；利用擬合得到的完整的單條吸收譜線提取FWHM,進(jìn)而借助FWHM與標(biāo)準(zhǔn)條件下吸收譜的FWHM的比值實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)區(qū)域內(nèi)氣體壓強(qiáng)的測(cè)量,在樣機(jī)測(cè)試中我們獲得了5%的測(cè)量精度。在本論文的完成過程中,主要的創(chuàng)新點(diǎn)有：(1)首次提出雙吸收峰峰值差水氣傳感方法。對(duì)于光譜吸收式氣體傳感器,氣體對(duì)光強(qiáng)的吸收強(qiáng)度是解調(diào)氣體濃度信息的最重要的參數(shù)。通常吸收強(qiáng)度的確定需要檢測(cè)吸收峰峰值與吸收譜線基線之間的差值,對(duì)于單吸收線來講吸收譜線基線的確定存在不確定性,特別是對(duì)應(yīng)噪聲大、吸收譜線展寬大的時(shí)候。本方案中采用1368.597 nm和1367.862 nm處的兩條吸收線作為研究對(duì)象,并利用兩個(gè)吸收峰之間的差值實(shí)現(xiàn)對(duì)水氣濃度的檢測(cè)。(2)首次考慮光纖器件內(nèi)的氣體對(duì)痕量氣體傳感效果的影響并提出有效消除／抑制方法。本文中將這種光纖器件內(nèi)部水氣對(duì)水氣傳感結(jié)果的影響定義為額外吸收性干擾,我們分析了主要光學(xué)器件(DFB半導(dǎo)體激光器、PIN光電探測(cè)器及光纖準(zhǔn)直器)的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu),理清了額外吸收性干擾的來源,提出并驗(yàn)證了光電探測(cè)器配對(duì)重組法、長(zhǎng)光程稀釋法兩種方案來抑制額外吸收性干擾的影響,此方案適合應(yīng)用于實(shí)用化的光纖水氣傳感器的設(shè)計(jì)中。(3)改進(jìn)了BRD檢測(cè)電路并成功應(yīng)用于對(duì)水氣的光纖傳感解調(diào),利用電導(dǎo)率匹配的方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)基于Ebers-Moll模型而設(shè)計(jì)的BRD檢測(cè)電路的改進(jìn)。此電路適用于雙光路氣體檢測(cè)系統(tǒng)的解調(diào),可實(shí)現(xiàn)寬通帶范圍內(nèi)光電流噪聲的消除,并能將兩路光以光電流的形式實(shí)現(xiàn)歸一化,解決了傳統(tǒng)歸一化方案中電流到電壓轉(zhuǎn)換過程中的一系列問題。(4)提出了基于BRD的雙光束TDLAS/WMS技術(shù),實(shí)現(xiàn)了二次諧波波形的校正。二次諧波波形畸變主要來源于半導(dǎo)體激光器普遍存在的剩余幅度調(diào)制RAM和激光功率變化LPV,在基于BRD的雙光束TDLAS/WMS技術(shù)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)中,這部分因素對(duì)二次諧波波形畸變的貢獻(xiàn)被大部分消除,簡(jiǎn)化了光譜吸收式氣體傳感器中對(duì)光譜的分析過程。(5)實(shí)現(xiàn)了對(duì)水氣濃度和背景氣體壓強(qiáng)的同步檢測(cè)。在實(shí)施方案中我們結(jié)合了TDLAS和Levenberg Marquardt算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)不完整吸收譜線的擬合,并利用擬合得到的吸收譜線對(duì)水氣濃度和背景氣體壓強(qiáng)實(shí)現(xiàn)同步檢測(cè)。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP212
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本文編號(hào)：1279568