第1页共7页编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页共7页基于谐波检测技术的乙炔气体浓度测量系统(工程光学:郝蕴绮)王翔宇摘要：基于乙炔气体近红外吸收的机理，研究了一种以DFBLD为光源的高灵敏度光谱吸收型乙炔气体多点检测系统。采用光源调制实现气体浓度的谐波检测，利用二次谐波与一次谐波的比值来消除光路干扰。采用空分复用技术实现多点气体浓度的检测，使多个传感器共用一个光源，降低了成本。建立了谐波检测的数学模型，给出C2H2了乙炔气体的测量结果。测试结果表明：系统灵敏度和稳定性高，重复性好，适应性强。关键词：气体传感器；乙炔；多点检测；谐波检测引言光纤气体传感器灵敏度高，动态范围大，防电磁干扰，防燃防爆，不易中毒，适合于长距离在线测量。但由于光源造价一般很高，限制了它的大规模使用。乙炔(C2H2)是变压器油中的故障特征气体，实时、准确地监测C2H2气体浓度对保障生产、生活的安全十分重要。基于空分复用技术，将气体传感器组成网络，实现对C2H2气体浓度的多点测量，使多个传感器共用一个光源，降低了成本。采用分布反馈式半导体激光器(DFBLD)作为光源，通过对光源的调制实现对气体的二次谐波检测，通过二次谐波与一次谐波的比值作为系统的输出，克服了现有仪器受光路干扰较大的缺点，并且比以往采用LED作为光源的差分检测方式具有更高的灵敏度。l基本原理当一束光强为I0的输入平行光通过图1所示的气室时，如果光源光谱覆盖1个或多个气体吸收线，光通过气体时发生衰减，根据Beer—Lambert定律，输出光强I(t)与输入光强I0(t)和气体浓度之间的关系为I(t)=It(t)exp[−α(v)cL]（1）式中α(v)为气体吸收系数，即气体在一定频率v处的吸收线型；L为吸收路径的长度；c为气体浓度。第2页共7页第1页共7页编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第2页共7页为了产生谐波信号，在激光器的直流工作电流上叠加1个角频率为v的正弦信号。由于可调谐激光器的输出频率是注入电流的函数，所以注入电流经正弦调制之后，激光器的输出频率和输出光强也将受到相应的调制变成了随频率矿而变化的时变参数v=v0+vmsinωt（2）I0(t)'=I0[1+ηsinωt]（3）式中：V0为光源未经调制时的中心频率；Vm为频率调制幅度；η为光强调制系数，ω=2πf,f为电流调制频率。将式(2)、式(3)代入式(1)，在近红外波段，气体的吸收数很小，满足α(v)cL¿¿，光强的调制幅度也很小，即，η＜＜1;这样就可以运用近似公式exp[−α(v)cL]=1−α(v)cL，并且可以忽略高阶小项ηsinωt⋅α(v0+vmsinωt)cL，则I(t)可为I(t)=I0[1+ηsinωt−α(v0+vmsinωt)cL]（4）气体压力接近101．325kPa时，可以用Lorenz曲线描C2H2分子的吸收谱线型α(v)=α01+(v−vgδv)2（5）第3页共7页第2页共7页编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第3页共7页式中：α0为纯气体在吸收线中心的吸收系数；vg和δv分别为对应吸收峰的中心频率和吸收线半宽。当光源输出中心波长被精确地锁定在气体吸收峰上时，V0=Vg，式(4)变为I(t)I(t)=I0[1+ηsinωt−α0cL1+x2sin2ωt]（6）定义x=vm/δv，将式(6)展开为傅里叶级数序列，它的一次谐波（f）和二次谐波(2f)的系数分别为If=I0η（7）I2f=−kα0cLI0（8）式中：k=2[2+x2−2(1+x2)12]x2(1+x2)12（9）可知，二次谐波和一次谐波的比值不含有I0项，这样用其作为系统的输出可以消除光强波动等因素带来的干扰I2fIf=−2kηα0cL（10）可见，检测二次谐波可以获得气体浓度信息，一次谐波分量主要由强度调制引起，幅度正比于光源的平均功率，和气体浓度没有关系。用二次谐波和一次谐波的比值作为系统的输出，可以消除光源波动等共模噪声。2系统的设计C2H2为线性对称分子，在红外光谱中共表现出5种基本简正振动，吸收基频为矿。一蚝，都不在光纤低损耗范围之内，并受到其他因素如光源和探测器等条件的限制，所以选择吸收强度不如基频吸收强烈的振动泛频吸收峰进行检测。石英光纤在1．55x103nm第4页共7页第3页共7页编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第4页共7页内为低损耗窗口，C2H2在1．5...
