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基于光谱吸收原则的低成本硫化氢传感器研究
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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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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