肖尚輝,荊耀秋,湯 俊

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

一種基于溫控半導體激光波長掃描的光纖瓦斯測量系統*

肖尚輝1*,荊耀秋2,湯 俊3

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

設計了一種基于溫控半導體激光波長掃描的光纖煤礦瓦斯測量系統,通過改變中心波長1 653 nm半導體分布式反饋(DFB)激光器的工作溫度來掃描半導體DFB激光器的輸出波長,在5 nm波長掃描范圍內,存在明顯的瓦斯氣體吸收峰。半導體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化為電信號,再由A/D采集卡采集到信號處理系統,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?。該傳感系統采用80 mA恒流源驅動半導體DFB激光器,使其輸出光強保持不變,其結構簡單、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重的災難之一。由于煤礦瓦斯爆炸而引起的事故給生命財產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術界和產業(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)測和預警,對保障煤礦的安全生產、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、傳感單元結構簡單、易于組成光纖傳感網絡等優(yōu)點,可將光纖傳感頭放置在易燃、易爆環(huán)境中實現遠距離遙測,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]。

針對目前現有方法存在的系統測量精度不高、系統結構復雜等不足[6-10],本文提出了一種溫控半導體激光波長掃描光纖瓦斯測量技術,并設計實現了相應的溫控波長掃描光纖瓦斯測量系統,用恒流源驅動半導體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,可達到結構簡單、使用方便、測量精度高。

1 溫控波長掃描傳感系統設計

基于溫控半導體激光波長掃描的煤礦瓦斯光纖傳感測量系統設計原理如圖1所示。系統由恒流源,半導體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組成。該系統采用恒流源驅動半導體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化為電信號,再由A/D采集卡采集到信號處理系統。

圖1 溫控波長掃描光纖煤礦瓦斯傳感系統示意圖

為便于測量,需要用恒流源對半導體DFB激光器進行驅動,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構,通過電路參數調節(jié)即可實現一定范圍的溫度控制半導體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、單位作用長度介質的吸收系數,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。

在光纖傳感瓦斯測量系統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Id(λ)為從光源分出不通過待測瓦斯氣體的基準光路,則根據式(1)可得到相隔較近但在吸收系數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對應的光路、光電系統總效率。

(4)

2 系統實驗與測試結果

根據圖1所示方案構建了溫控波長掃描光纖瓦斯傳感實驗系統如圖3所示,并進行了系統實驗測試。系統采用輸出波長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,其余兩路經波分復用器WDM1合波后進入氣室,形成兩個不同波長光的共光路系統,氣室輸出光再由波分復用器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路數據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

實驗中采用中心波長為1 653 nm的半導體DFB激光器,用80 mA的恒定電流源進行驅動,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,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半導體DFB激光器工作溫度快速從15°升高至39°左右,根據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變化,將再次出現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半導體DFB激光器的輸出光波長在5 nm范圍內變化,在一個完整的升溫和自然冷卻過程中,會出現2次較為明顯的瓦斯吸收峰,與理論預期完全吻合,進一步說明基于溫控半導體激光波長掃描技術可實現高精度光纖傳感瓦斯測量系統。

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系

根據我們設計完成的如圖3所示實驗測試樣機系統,對標準濃度為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,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系如圖6所示。由圖6可知,當對輸出波長為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 結束語

以上分析并設計了一種采用溫度掃描電路控制半導體DFB激光器輸出掃描變化的波長來實現光纖瓦斯測量的實驗系統,可得到超過5 nm的波長掃描范圍。通過恒流源驅動半導體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,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,信號解調簡單,系統成本低和可靠性高。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的測量分辨率。改進氣室結構、光源穩(wěn)定技術等對系統影響,以及縮小檢測波長與參考波長的間隔,可提高該系統的穩(wěn)定性和可靠性。

[1] 劉小會,王昌,劉統玉,等. 礦井下用光纖光柵水壓傳感器及系統[J]. 光子學報,2009,38(1):112-114.

[2] 王琢,曹家年,張可可,等. 光學式低濃度甲烷氣體傳感器的研究[J]. 光子學報,2011,40(2):255-258.

[3] 付華,劉雨竹,李海霞,等. 煤礦瓦斯?jié)舛鹊腃APSO-ENN短期預測模型[J]. 傳感技術學報,2015,28(5):717-722.

[4] 柴化鵬,馮鋒,白云峰,等. 瓦斯傳感器的研究進展[J]. 山西大同大學學報(自然科學版),2009,25(3):27-31.

[5] 單亞峰,馬艷娟,付華,等. 分布式光纖測溫系統在煤礦火災檢測中的應用[J]. 傳感技術學報,2014,27(5):704-708.

[6] 肖尚輝,湯俊. 基于光譜吸收型光纖傳感器的煤礦瓦斯測量技術[J]. 光學技術,2012,38(5):555-559.

[7] 王玉田,郭增軍,王莉田. 差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器的研究[J]. 光電子·激光,2001,12(7):675-678.

[8] 肖尚輝,唐才杰,江毅,等. 基于波長掃描的差分吸收光纖煤礦瓦斯傳感系統設計[J]. 光子學報,2012,41(12):1479-1482.

[9] 林楓,蔡海文,夏志平. 光纖光柵濾波的瓦斯傳感系統的研究[J]. 中國激光,2005,4(32):549-552.

[10] Pfeiffer P,Meyrueis P,Patillon D. Limiting Sensitivity of a Differential Absorption Spectrometer with Direct Detection in the 2ν3and ν2+2ν3Vibration Bands[J]. Instrumentation and Measurement,2004,53(1):45-50.

[11] Martin Kuntz,Michael Hopfner. Efficient Line-by-Line Calculation of Absorption Coefficients[J]. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer,1999,63:97-114.

[12] Xiao Shanghui,Jiang Yi,Tang Caijie,et al. Quadrature Operation Point Locked Techniques for Interrogating Extrinsic Fabry-Perot Interferometric Sensors[J]. Microwave and Optical Technology Letters,2013,55(9):2117-2120.

[13] Rothman L S,Jacquemarta D,Barbe A. The HITRAN 2004 Molecular Spectroscopic Database[J]. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer,2005,96(2):139-204.

肖尚輝(1973-),男,教授,兼職碩士生導師。長期負責《信號與系統》、《數字信號處理》等課程教學工作,并主編出版了應用型本科特色規(guī)劃教材2部。目前主要從事無線傳感網絡WSN、光纖傳感系統等信號處理研究,主要承擔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