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基于光谱吸收原则的低成本硫化氢传感器研究

更新时间：2019-12-25 16:35:58 大小：2M 上传用户：守着阳光1985查看TA发布的资源 标签：光谱吸收 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

H2S浓度检测的发展趋势是实时检测,基于光谱吸收原则是其中一个发展方向。用宽带光源替代以往使用的成本较高的窄带光源,降低整个系统的成本,可以提高检测系统的实用性。宽带光源经过Bragg光纤光栅滤波后可以得到窄带光。此方法得到的光波必然会有噪声和波动,然后对其进行滤波,消除一部分系统的噪声和波动,再通过光线分束器分别通入检测光路和参考光路后做差。此差分信号不仅消除了一部分系统噪声和波动,还消除了基波分量,增大了信噪比。用数学分析的方法推导出二次谐波信号,利用SIMILINK仿真观察此信号,不同浓度的H2S气体会有不同的输出信号,也就得到了气体的浓度。双光路差分法、谐波检测技术和窄带滤波技术综合起来的优势是降低了成本,增加了信噪比,提高了系统的检测能力。实验仿真结果表明,在LED宽带光源基础上采用提取谐波信号的双光路差分方法检测H2S气体浓度正确可行,此方法降低了系统成本,为大范围实际应用提供了可能性。


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第
卷 ，第 期  
３８ ２  
ꢀ
光
谱
学
与
光
谱
分
析
，
，
Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．２ ６１１６１５  
ｐｐ  
ꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ  
－
年
月
，
Ｆｅｂｒｕａｒ ２０１８  
ｙ
ꢀ
２０１８  
ꢀꢀꢀ  
２
Ｓｅｃｔｒｏｓｃｏ ａｎｄＳｅｃｔｒａｌＡｎａｌｓｉｓ  
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ ꢀ ｐ ꢀｐ ꢀ  
ｐｙ ｙ  
ꢀ
ꢀ
基于光谱吸收原则的低成本硫化氢传感器研究  
１ １  
陈书旺 ，王昭昭 ，唐东林  
２
河北科技大学信息科学与工程学院，河北 石家庄  
１．  
０５００１８  
ꢀ
西南石油大学机电工程学院，四川 成都  
２．  
６１０５００  
ꢀ
摘
要
浓度检测的发展趋势是实时检测，基于光谱吸收原则是其中一个发展方向。用宽带光源替代  
Ｈ Ｓ  
２
ꢀ
ꢀ
以往使用的成本较高的窄带光源，降低整个系统的成本，可以提高检测系统的实用性。宽带光源经过  
Ｂｒａ  
ｇｇ  
光纤光栅滤波后可以得到窄带光。此方法得到的光波必然会有噪声和波动，然后对其进行滤波，消除一部分  
系统的噪声和波动，再通过光线分束器分别通入检测光路和参考光路后做差。此差分信号不仅消除了一部  
分系统噪声和波动，还消除了基波分量，增大了信噪比。用数学分析的方法推导出二次谐波信号，利用  
ＳＩ  
－
仿真观察此信号，不同浓度的  
气体会有不同的输出信号，也就得到了气体的浓度。双光路差  
Ｈ Ｓ  
２
ＭＩＬＩＮＫ  
分法、谐波检测技术和窄带滤波技术综合起来的优势是降低了成本，增加了信噪比，提高了系统的检测能  
力。实验仿真结果表明，在 宽带光源基础上采用提取谐波信号的双光路差分方法检测 气体浓度正  
ＬＥＤ  
Ｈ Ｓ  
２
确可行，此方法降低了系统成本，为大范围实际应用提供了可能性。  
关键词 光谱吸收；谐波检测；双光路；宽带光源  
ꢀ
中图分类号：  
ＴＰ２１２  
文献标识码：  
： ／ （ ）  
ＤＯＩ １０．３９６４ ．ｉｓｓｎ．１００００５９３２０１８０２０６１１０５  
ｊ
－ － －  
Ａ
ꢀꢀꢀ  
ꢀꢀ  
引
言
检测原理  
１
ꢀ
ꢀ
［］  
２
由于气体具有选择性吸收特性 ，因此，根据气体的特  
石油是当 今 世 界 的 主 要 能 源，石 油 开 采 技 术 已 经 很 成  
ꢀꢀ  
ꢀꢀ  
熟，但是油气开采过程中产生大量的硫化氢等有害气体，埋  
下很大的安全隐患。究其原因，主要是不能及时发现和预报  
有害气体的泄露。传统硫化氢气体检测方法设备简陋，步骤  
复杂，实时性较差，都不能满足生产实际需求。  
性不同可以实现对气体浓度的检测。当光源的波长接近或等  
于气体的吸收波长时，该波长的光可以被气体大量地吸收，  
吸收的强度与气体的浓度有关。被气体吸收后，光照强度会  
［］  
３
。
发生变化。光照强度的变化符合  
定律  
ＬａｍｂｅｒｔＢｉｌｌ  
ꢀ
现代对于硫化氢气体检测的发展趋势是延长设备使用寿  
命、增强抗干扰能力和提高产品智能化。光纤传感器是一种  
新型传感器，其使用寿命长，抗干扰能力强，故障率低，传  
输距离远，也易于与计算机连接形成传感系统。国内外有基  
于光谱吸收原则用光纤传感器来检测硫化氢气体浓度的，只  
是传感系统的光源大都采用价格较高的窄带光源，不能大范  
围应用，而且也不能消除系统固有噪声，降低了系统检测能  
［
ｐ －  
（） ］  
ｃＬ  
ν
（）  
１
Ｉ
Ｉｅｘ  
０
ａ
＝
式（）中， 是输出光照强度， 是输入光照强度， （）是气  
Ｉ ａ  
ν
１
Ｉ
０
体吸收系数， 是气体浓度， 是吸收路径长度。  
ｃ Ｌ  
半导体激光器成本较高，在油气田实际应用时，不能把  
它作为光源，应用宽带光源替代。  
ＬＥＤ  
光源输出谱线较宽，  
在油气开采过程中，各种有毒有害气体伴随产生，单独测某  
一种气体浓度时必会受到其他伴生气体的干扰，从而影响测  
量精度，因此它作为光源不能直接应用，需要对其进行滤波  
和调制以满足实验需求。  
力。本研究的光纤传感器采用宽带  
光源，用  
光纤  
Ｂｒａ  
ｇｇ  
ＬＥＤ  
光栅进行滤波获得窄带光，降低系统成本，而且采用检测输  
出信号谐波的方法，消除 了 系 统 固 有 噪 声，增 加 了 信 噪 比，  
提高了检测能力，再与计算机网络相连就形成了自动报警系  
宽带光源经  
光纤光栅滤波后可以得到窄带光，如  
Ｂｒａ  
ｇｇ  
图
，这样就可以满足检测需要。  
１
［］  
１
。
统
其中出射光中心波长满足式（）  
２
ꢀꢀ  
收稿日期：  
，修订日期：  
２０１７１００９  
－
２０１７０５１８  
－
ꢀ
ꢀ
ꢀ
－
－
基金项目：国家自然科学基金项目（  
）资助  
４１４７４１２１  
作者简介：陈书旺，  
１９７１  
年生，河北科技大学信息科学与工程学院教授  
：
ｅｍａｉｌ ２７９８４９６０  
－
．ｃｏｍ  
＠ｑｑ  
ꢀꢀ  
光谱学与光谱分析  
第
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ  
卷
３８  
６１２  
果基本也可以保持线性性质。  
检测方法和系统设计  
２
ꢀ
光源是该检测系统的第一个关键组成部分，其输出光波  
ꢀꢀ  
的好坏直接影响测量结果的质量。如果光源输出非常稳定，  
波长锁定在吸收峰处，那么就可以得到很好的检测效果。但  
实际上光源输出会有波动，产生非严格的正弦波，造成很大  
测量误差。为此，实验中将光源输出的光波进行滤波，然后  
图
、光纤光栅示意图  
１ ＰＺＴ  
ꢀ
Ｆｉ．１ ＰＺＴａｎｄｆｉｂｅｒ ｒａｔｉｎ ｄｉａｒａｍ  
ꢀ ꢀ  
ｇ
ꢀ
ꢀ
ｇ
ｇ
ꢀ
ｇ
（）  
２
２ｎ  
Λ
ｅｆｆ  
λ ＝  
Ｂ
再传入气室。图 是模拟光源输出光波及滤波前后的对比。  
２
式（）中， 为等效折射率； 为光栅周期。  
２ ｎｆｆ  
Λ
ｅ
其中图 （）掺杂了各种干扰信号，使波形发生严重形变，图  
２ａ  
由外力轴向力而引起的  
波长  
的相对变化为  
λ
Ｂ
Ｂｒａ  
ｇｇ  
（）是 用  
２ｂ  
对 其 进 行 滤 波 后 的 输 出 波 形，由 此 可  
ＭＡＴＬＡＢ  
Δλ  
Ｂ
见，滤波后的波形基本恢复到了原波形的形状，减少了因波  
形畸变带来的误差。  
（
１
）
Ｐ
ε＝  
ｅ
（）  
３
０．７８  
ε
＝
－
λ
Ｂ
式（）中， 为光纤光栅 轴 向 应 变； 为 光 纤 芯 有 效 光 弹 系  
Ｐ
ｅ
３
ε
数。  
波长表示为  
Ｂｒａ  
ｇｇ  
（ ）  
ｂｃｏｓ ｔ  
λ ＝λ ＋ ω  
０
（）  
４
Ｂ
０
式（）中， 为中心波长； 为调制频率； 为调制幅度。  
４ ｂ  
ω
０
λ
０
将式（）转换成用频率表示，如式（）  
４ ５  
（）  
ｔ
（）  
５
ｖ
０
ｎｓｉｎｔ  
＋ ω  
ν
＝
式（）中， 为频率调制因子； 是调制角频率。  
５ ｎ  
ω
光源的光功率可写为  
（）  
Ｉ ｔ  
０
（
Ｉ １ ｍｓｉｎｔ  
０
）
ω
（）  
６
＝
＋
式（）中， 为强度调制因子； 为调制角频率。  
６ ｍ  
ω
在大气压力下，气体分子吸收光谱的扩大主要由碰撞引  
［］  
４
起
，因此吸收系数 （）可以写为  
ａ
ν
ａ
０
（）  
ａ
ν ＝  
（）  
７
２
（）  
ｔ
ν －  
ｖ
０
１
＋
［
γ
］
式（）中， 为吸收光谱的半宽度； 为气体吸收峰值的吸收  
ａ
０
７
γ
系数。将式（）和式（）带入式（），则式（）可以转换为  
５ ６ １ １  
图
滤波前后光波信号对比  
２
ꢀ
（）  
Ｉｔ  
（ ）  
Ｉ １ ｍｓｉｎｔｅｘ  
［ （  
ａ
０
ｐ － ν ＋  
） ］ （）  
ｎｓｉｎｔｃＬ ８  
（）：滤波前有噪声光信号；（）：滤波后光信号  
ａ ｂ  
＝
＋
ω
ω
０
由于吸收系数 （）和光强度调制系数  
ａ
ν
都很小，式（）  
８
ｍ
Ｆｉ．２ Ｃｏｍ ａｒｉｓｏｎｏｆｌｉｈｔｗａｖｅｓｉｎａｌｓ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｇ
ꢀꢀ  
ꢀ
ｇ
ｐ
ｇ
（）：  
ａ
；（）：  
ｂ Ｆｉｌｔｅｒｅｄｌｉｈｔｓｉｎａｌ  
ꢀｇ ꢀｇ  
近似为  
Ｌｉｈｔｓｉｎａｌｗｉｔｈｎｏｉｓｅ  
ｇ ꢀｇ ꢀ ꢀ  
（）  
Ｉｔ  
［
Ｉ １  
０
（
）
ｎｓｉｎｔｃＬ ｍｓｉｎｔ  
ν ＋  
］
ω
（）  
９
ａ
＝
－
ω
＋
０
由
定律可知，气室的吸收路径长度对检测  
ＬａｍｂｅｒｔＢｉｌｌ  
ꢀ
ꢀꢀ  
将式（）带入式（）  
７ ９  
ꢀꢀ  
结果有影响，路径越长，气体吸收的光功率越大，相应的检  
测灵敏度也越高，它是该传感器的传感敏感组件。但实际应  
用中不能过多的增加气室长度，也应考虑整个系统的体积大  
ａｃＬ  
０
熿１  
ｍｓｉｎｔ燄  
ω
－
＋
２
２
ｎｓｉｎ ｔ  
ω
（）  
Ｉｔ  
＝
Ｉ
０
≈
１
＋
２
γ
燀
燅
２ ２  
ｎｓｉｎ ｔ  
ω
（ ）  
１０  
１
－
ꢀ
Ｉ
０
１
－
ａｃＬ  
ｍｓｉｎｔ  
ω
＋
０
２
［
（
γ
）
］
由倍角公式可将式（ ）写为  
１０  
ꢀꢀ  
２
ｎ
（）  
Ｉｔ  
Ｉ
０
１
－
［
ａｃＬ  
ｃｏｓ２ｔ ａｃＬ  
ω －  
０
＝
＋
０
２
２
γ
２
ｎ
（ ）  
１１  
ａｃＬ  
０
ｍｓｉｎｔ  
ω
＋
２
］
２
γ
可以得到二次谐波分量的系数为  
ꢀꢀ  
２
ｎ
（ ）  
１２  
Ｉ
ＩａＬｃ  
＝－  
０ ０  
２
ｆ
２
２
γ
图
气室结构示意图  
３
ꢀ
根据式（ ）可知，在各个参数确定的情况下，二次谐波  
１２  
ꢀꢀ  
Ｆｉ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｒａｍｏｆｔｈｅａｉｒｃｈａｍｂｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｇ ｇ  
分量跟气体浓度有比较好的一致性。因此，可以预测仿真结  

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