一種基于溫控半導(dǎo)體激光波長掃描的光纖瓦斯測量系統(tǒng)*

肖尚輝,荊耀秋,湯 俊

(1.成都工業(yè)學(xué)院電子工程學(xué)院,成都 611730;2.北京理工大學(xué)光電學(xué)院,北京 100081;3.川煤集團芙蓉煤礦有限公司,四川 宜賓 644002)

一種基于溫控半導(dǎo)體激光波長掃描的光纖瓦斯測量系統(tǒng)*

肖尚輝1*,荊耀秋2,湯 俊3

(1.成都工業(yè)學(xué)院電子工程學(xué)院,成都 611730;2.北京理工大學(xué)光電學(xué)院,北京 100081;3.川煤集團芙蓉煤礦有限公司,四川 宜賓 644002)

設(shè)計了一種基于溫控半導(dǎo)體激光波長掃描的光纖煤礦瓦斯測量系統(tǒng),通過改變中心波長1 653 nm半導(dǎo)體分布式反饋(DFB)激光器的工作溫度來掃描半導(dǎo)體DFB激光器的輸出波長,在5 nm波長掃描范圍內(nèi),存在明顯的瓦斯氣體吸收峰。半導(dǎo)體DFB激光器輸出的光注入被測氣體室,氣體室的輸出光攜帶有瓦斯氣體濃度信息,用光電探測器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號,再由A/D采集卡采集到信號處理系統(tǒng),通過對有吸收峰位置的光功率和無吸收峰位置的光功率進行比較,則可計算出瓦斯?jié)舛?。該傳感系統(tǒng)采用80 mA恒流源驅(qū)動半導(dǎo)體DFB激光器,使其輸出光強保持不變,其結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高。

光纖傳感;波長掃描;瓦斯測量;DFB激光器

長期以來,瓦斯爆炸已成為我國煤礦開采最嚴(yán)重的災(zāi)難之一。由于煤礦瓦斯爆炸而引起的事故給生命財產(chǎn)安全造成了巨大的損失,因此如何有效地減少或避免瓦斯爆炸事故已成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界一項重要的研究課題。煤礦瓦斯的主要成分是甲烷(CH4),甲烷是一種無色、無味、易燃、易爆的氣體,瓦斯的爆炸界限是5%～16%。如何快速、準(zhǔn)確、實時可靠地對井下煤礦瓦斯中的甲烷濃度進行監(jiān)測和預(yù)警,對保障煤礦的安全生產(chǎn)、人身安全以及環(huán)境保護都有著重要作用[1-3]。眾所周知,光纖氣體傳感器具有穩(wěn)定可靠、抗電磁干擾能力強、電絕緣性好、防爆、可遠距離長期在線測量、傳感單元結(jié)構(gòu)簡單、易于組成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點,可將光纖傳感頭放置在易燃、易爆環(huán)境中實現(xiàn)遠距離遙測,因此特別適宜于惡劣危險環(huán)境下的瓦斯?jié)舛葴y量,已在煤礦瓦斯監(jiān)測中逐步得到了越來越多的重視[4-5]。

針對目前現(xiàn)有方法存在的系統(tǒng)測量精度不高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等不足[6-10],本文提出了一種溫控半導(dǎo)體激光波長掃描光纖瓦斯測量技術(shù),并設(shè)計實現(xiàn)了相應(yīng)的溫控波長掃描光纖瓦斯測量系統(tǒng),用恒流源驅(qū)動半導(dǎo)體DFB激光器,并利用溫度掃描電路控制激光器輸出掃描的波長,可達到結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量精度高。

1 溫控波長掃描傳感系統(tǒng)設(shè)計

基于溫控半導(dǎo)體激光波長掃描的煤礦瓦斯光纖傳感測量系統(tǒng)設(shè)計原理如圖1所示。系統(tǒng)由恒流源,半導(dǎo)體DFB激光器,溫度掃描電路,光纖環(huán)形器,氣室,光電探測器,A/D采集卡和信號處理系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)采用恒流源驅(qū)動半導(dǎo)體DFB激光器,并利用溫度掃描電路控制激光器的輸出波長,激光器輸出的光進入光纖環(huán)形器的輸入端①端,光纖環(huán)形器的輸出端②端連接一個氣室,光從氣室由氣室返回,帶有瓦斯氣體濃度信息的光就由光纖環(huán)形器的反射端③端輸出到光電探測器,光電探測器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號,再由A/D采集卡采集到信號處理系統(tǒng)。

圖1 溫控波長掃描光纖煤礦瓦斯傳感系統(tǒng)示意圖

為便于測量,需要用恒流源對半導(dǎo)體DFB激光器進行驅(qū)動,使之輸出恒定的光功率。此外,為達到掃描激光波長測量瓦斯氣體的吸收峰,外加如圖2所示的溫度掃描控制電路結(jié)構(gòu),通過電路參數(shù)調(diào)節(jié)即可實現(xiàn)一定范圍的溫度控制半導(dǎo)體DFB激光器,從而使中心波長為1 653 nm DFB激光器輸出波長在一定范圍移動,完成對瓦斯氣體的波長掃描測量。

圖2 溫控掃描電路

當(dāng)光通過待測氣體時,由于出射光強I(λ)與入射光強I0(λ)的關(guān)系滿足比爾(Beer)定律,在考慮光路中各種干擾因素情況下可表示為[9-10]

I(λ)=I0(λ)exp[-α(λ)cL+β(λ)]

(1)

式中:α(λ)為一定波長下單位濃度、單位作用長度介質(zhì)的吸收系數(shù),L為待測氣體與光相互作用的長度,c為待測氣體濃度,β(λ)為反映光路各種干擾因素的系數(shù)。

在光纖傳感瓦斯測量系統(tǒng)中為消除瓦斯氣體測量光路中各種干擾因素的影響,可采用雙波長參考測量的差分吸收方法[7-8]。若設(shè)Id(λ)為從光源分出不通過待測瓦斯氣體的基準(zhǔn)光路,則根據(jù)式(1)可得到相隔較近但在吸收系數(shù)上有很大差異的兩個波長λ1和λ2通過待測瓦斯氣體的輸出強度為

(2)

由此可計算出待測瓦斯氣體的濃度c為[11-13]

(3)

式中:K(λ1)、K(λ2)分別表示波長λ1和λ2對應(yīng)的光路、光電系統(tǒng)總效率。

(4)

2 系統(tǒng)實驗與測試結(jié)果

根據(jù)圖1所示方案構(gòu)建了溫控波長掃描光纖瓦斯傳感實驗系統(tǒng)如圖3所示,并進行了系統(tǒng)實驗測試。系統(tǒng)采用輸出波長λ1=1 653 nm(在甲烷氣體的吸收峰處,作為測量光)和λ2=1 551 nm(不在甲烷氣體的吸收峰處,作為參考光)的兩個半導(dǎo)體DFB激光器作為光源,兩個激光器發(fā)出的光首先通過耦合器1和耦合器2被各自分出一路分別由光電探測器PD1和PD4直接進行探測并作放大濾波處理,其余兩路經(jīng)波分復(fù)用器WDM1合波后進入氣室,形成兩個不同波長光的共光路系統(tǒng),氣室輸出光再由波分復(fù)用器WDM2分波,得到該兩路光,分別由光電探測器PD2和PD3進行探測并作放大濾波處理,最后利用UA302系列采集器將4路數(shù)據(jù)采集到計算機進行處理。

圖3 溫控波長掃描光纖煤礦瓦斯傳感實驗系統(tǒng)

實驗中采用中心波長為1 653 nm的半導(dǎo)體DFB激光器,用80 mA的恒定電流源進行驅(qū)動,使其輸出光功率穩(wěn)定在5 mW附近,并利用溫度掃描電路控制激光器的輸出波長從1 651 nm掃描到1 656 nm,在這掃過的5 nm范圍內(nèi),存在瓦斯的吸收峰波長λ3和與其非常接近的沒有瓦斯的吸收峰波長λ4,例如測量中為λ3=1 653.7 nm、λ4=1 653.9 nm,由原理部分可知,通過比較I(λ3)和I(λ4)的值,就可以計算出瓦斯的濃度,得到波長掃描光纖瓦斯測量輸出光譜示意圖如圖4所示。

圖4 波長掃描光纖瓦斯測量輸出光譜示意圖

為驗證圖4的瓦斯測量輸出光譜特性,按照如圖2所示的溫控電路控制1 653 nm半導(dǎo)體DFB激光器工作溫度快速從15°升高至39°左右,根據(jù)DFB激光器特性,其輸出光的波長會發(fā)生一定變化,波長變化的光通過如圖3所示的實驗系統(tǒng)可完成波長掃描光纖瓦斯測量,歸一化處理后可獲得較為明顯的瓦斯吸收峰,然后使溫度自然冷卻下降,輸出光的波長又隨之相應(yīng)變化,將再次出現(xiàn)非常明顯的瓦斯吸收峰,如圖5所示。由此可知,通過溫控改變1 653 nm半導(dǎo)體DFB激光器的輸出光波長在5 nm范圍內(nèi)變化,在一個完整的升溫和自然冷卻過程中,會出現(xiàn)2次較為明顯的瓦斯吸收峰,與理論預(yù)期完全吻合,進一步說明基于溫控半導(dǎo)體激光波長掃描技術(shù)可實現(xiàn)高精度光纖傳感瓦斯測量系統(tǒng)。

圖5 波長掃描光纖瓦斯測量輸出吸收光譜實驗測試

圖6 輸出強度比隨時間的變化關(guān)系

根據(jù)我們設(shè)計完成的如圖3所示實驗測試樣機系統(tǒng),對標(biāo)準(zhǔn)濃度為3.04%的甲烷氣體(甲烷與空氣的混合氣體)進行檢測,連接實驗系統(tǒng),待其工作穩(wěn)定后將氣體通入氣室,檢測得到的輸出強度比隨時間的變化關(guān)系如圖6所示。由圖6可知,當(dāng)對輸出波長為1 653 nm激光器進行溫控波長掃描時,甲烷氣體對5 nm掃描范圍內(nèi)的某個波長有特定的吸收,即R(1 653 nm)=5.286 328,而對1 551 nm激光波長由于不在甲烷氣體的吸收峰處,僅作為參考光進行比較,可得S=R(1 653nm)/R(1 551nm)=6.620 833。由此可看出,在1 653 nm這個特定波長附近,輸出強度比的值有明顯下降,即存在較為明顯的甲烷氣體吸收峰。

4 結(jié)束語

以上分析并設(shè)計了一種采用溫度掃描電路控制半導(dǎo)體DFB激光器輸出掃描變化的波長來實現(xiàn)光纖瓦斯測量的實驗系統(tǒng),可得到超過5 nm的波長掃描范圍。通過恒流源驅(qū)動半導(dǎo)體DFB激光器,能夠較好保持光源輸出功率穩(wěn)定。由于采用波長掃描探測技術(shù),瓦斯吸收波長的光和沒有吸收的參考波長光通過了完全相同的傳輸路徑,抗干擾能力強,探測靈敏度高;此外,基于直接探測光功率,信號解調(diào)簡單,系統(tǒng)成本低和可靠性高。通過減小氣室損耗,增大光源功率,同時改進光電檢測電路和信號處理方法,能夠大大減小信號的噪聲,可進一步提高傳感器系統(tǒng)的測量分辨率。改進氣室結(jié)構(gòu)、光源穩(wěn)定技術(shù)等對系統(tǒng)影響,以及縮小檢測波長與參考波長的間隔,可提高該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

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肖尚輝(1973-),男,教授,兼職碩士生導(dǎo)師。長期負(fù)責(zé)《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》等課程教學(xué)工作,并主編出版了應(yīng)用型本科特色規(guī)劃教材2部。目前主要從事無線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN、光纖傳感系統(tǒng)等信號處理研究,主要承擔(dān)了省科技支撐計劃項目、省教育廳科技項目、市科技局項目、校級項目等多項。近幾年來,在國內(nèi)外公開發(fā)表研究論文30余篇,其中SCI收錄4篇,EI收錄12篇,xiaosh@uestc.edu.cn。

Optical Fiber Methane Sensing Systems Employing Wavelength-Scanning Based Temperature Control Techniques*

XIAOShanghui1*,JINGYaoqiu2,TANGJun3

(1.School of Electronic Engineering,Chengdu Technological University,Chengdu 611730,China;2.School of Optoelectronics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;3.Furong Limited Company,Sichuan Coal Group,Yibin Sichuan 644002,China)

Fiber-optic coal methane gas sensing measurement systems,which employ wavelength-scanning based temperature control technologies,are designed and investigated for some experiments. By changing operating temperature of DFB laser with the center wavelength of 1 653 nm to scan its output wavelength,there are some absorption peaks of methane gas among the wavelength scanning ranges of 5 nm. After the DFB laser light is injected into the measured gas chamber,the optical output signals carrying gas concentration information,which are converted into electrical signals by photoelectric detector and data acquisition,are used to calculate the gas concentration by comparing the absorption peak position to no absorption peak position of the optical power. Owing to the use of 80 mA constant current source for driving DFB semiconductor laser,this sensing system is with the advantages of stable output light intensity,simple structure and high sensitivity.

Fiber optic sensing;wavelength scanning;methane sensing;DFB laser

項目來源:省科技支撐計劃項目(2011GZ0254);博士基金項目(2016RC005)

2016-06-14 修改日期:2016-08-23

TN253

A

1004-1699(2017)01-0162-05

C:4250;7230E

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.01.029