收稿日期:2003-04-22基金项目：河北省自然科学基金资助项目(600227)作者简介：王玉田(1952—)，男，辽宁本溪人，教授，博士生导师，主要从事检测技术、精密测量技术和光电传感器方面的教 学和科研工作。
文章编号:1000-8829(2003)11-0019-03
A Methane Gas Sensor with Optic Fiber Based on Frequ ency Harmonic Detection Tech nique
(燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛市 066004) 王玉田,
刘 瑾，张景超，杨海马
摘要：基于甲烷气体的近红外吸收光谱，研究了一种高
灵敏度光谱吸收型光纤甲烷气体传感器。采用DFB LD 作为光源，通过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由光源的不稳定和变化所引起的检测误差。建立了谐波检测的数学模型，给出了甲烷气体的测量结果。关键词：气体传感器；甲烷；调制；谐波检测中图分类号:O439;TP212.2文献标识码:A A bstract :Based on the near infrared spectral absorption of methane ,a system using absorption ty pe optic fiber for hig h sensitivity methane detection is demonstrated .DFB LD is used as a light source and light source modu -lation harmonic measurement is presented .The ratio of the fundamental and second harmonic signal can be used for eliminating the interference owing to light power changing .The mathematical model of gas concentration harmonic measurement is built up .The result of methane concentration is also show n .Key words :gas sensor ;methane ;modulation ;harmonic measurement 甲烷是易燃易爆气体，是矿井瓦斯及天然气等多种气体燃料的主要成分。在我国煤矿安全事故中，瓦斯爆炸造成的伤亡占所有重大伤亡人数的50%以上，成为实现安全生产的最大障碍，现场实时检测甲烷气体浓度对于工矿安全运行，以及人身安全具有重要意义。
本研究采用分布反馈式半导体激光器(DFB LD )作为光源，通过对光源的调制实现对甲烷气体的二次
谐波检测[1～4]。克服了现有仪器受光路干扰较大的缺点，具有灵敏度高，响应速度快，动态范围大，
防电磁干扰，防燃防爆，不易中毒等优点，可将传感头放置在人和仪器不易进入的易燃易爆、有毒及高温等环境中，实现在线、连续遥控遥测[1～7]。
1 基本原理
当一束光强为I 0的输入平行光通过如图1所示的气室时，如果光源光谱覆盖一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I 0(t )和气体浓度之间的关系为
I (t )=I 0(t )ex p [-α(υ)CL ]
(1)
式中,α(υ)为气体吸收系数，即气体在一定频率υ处的吸收线型;L 为吸收路径的长度;C 为气体浓度。如果光源谱分布带宽远远小于气体吸收线带宽，通过对光源的注入电流进行正弦调制，光源频率和输出光强也将受到相应的调制。
υ=υ0+υm sin ωt (2)I 0′(t )=I 0[1+ηsin ωt ]
(3)
υo 为光源未经调制时的中心频率;υm 为频率调制幅度;η为光强调制系数，式中ω=2πf ,f 为电流调制频
率。将式(2)、(3)代入式(1)，则
I (t )=I 0(1+ηsin ωt )ex p [-α(υ0+υm sin ω
t )CL ](4)
图1 气室结构
在近红外波段，气体的吸收系数很小，满足α(υ)CL 1，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(υ)CL ]=1-α(υ)CL
(5)并且可以忽略高阶小项
ηsin ωt ×α(υ0+υm sin ω
t )CL (6)这时I (t )可近似为
I (t )=I 0[1+ηsin ωt -α(υ0+υm sin ω
t )CL ](7)
气体压力接近一个标准大气压时，红外光谱的碰
·
19·基于谐波检测技术的光纤甲烷气体传感器的研究
撞加宽起主要作用。因此可以用Lorentz 曲线描述CH 4分子的吸收谱线型
α(υ)=
α0
1+(υ-υg δυ
)
2
(8)
α0表示纯气体在吸收线中心的吸收系数,υg 和δυ分别为对应吸收峰的中心频率和吸收线半宽，则式(7)变
为
I (t )=I 0[1+ηsin ωt -α0CL
1+(υ0-υg +υm sin ωt δυ
)
2(9)
当光源输出中心波长被精确地锁定在气体吸收峰上
时,υ0=υg ，则
I (t )=I 0[1+ηsin ωt -α0CL
1+x 2sin 2ωt
]
(10)
定义x =υm /δ
υ，将式(10)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
I f =I 0η(11)I 2f =-k α0CL I 0
(12)
式中,
k =
2[2+x 2-2(1+x 2)1/2
]
x 2(1+x 2)
1/2(13)
皮带架k 为x 的函数，如图2所示,x 可以被调节到二次谐波
的最大值，当二次谐波取得最大值时,d k /d x =0，而
x =(2+22)1/2
超分散剂应用涂料工业≈2.2
(14)
这种条件下,k =0.
343。
图2 k 与x 关系曲线
由式(13)可知，二次谐波和一次谐波的比值不含
有I 0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
I 2f I f =-2k
ηα0
CL (15)
可见，检测二次谐波可以获得气体浓度信息，一次
保温鸡舍
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
2.1 光源的选择
选择光源时应满足以下条件，输出中心频率同气体的吸收谱特性相吻合；与光纤的低损耗窗口相适应；温度特性良好。
甲烷分子具有的4个基本振动所对应的波长分别为3.433μm ,6.522μm ,3.312μm 和7.658μm 。这些波段处于石英光纤的高衰减区，光源和探测器都需要低温制冷，并且结构笨重，使用很不方便，所以不能广泛应用于光纤气体传感。甲烷气体在泛频带2υ3和组合频带υ2+2υ3的波长分别为1.
6μm 和1.3μm 左右，由于吸收谱宽仅为几个纳米，一般用于气体探测的发光二极管的带宽为20～100nm ，气体吸收仅占光源光强的几千分之一，比光源光强的变化还要小，测量的灵敏度很低，并且多纵模吸收的灵敏度远远小于单纵模吸收的灵敏度以及光源参数的限制，所以采用峰值波长为1.331μm 的DFB LD 作为光源。甲烷在1.3μm 附近的精细结构谱图如图3所示。
图3 甲烷气体在1.3μm 附近的吸收光谱
可见，甲烷气体在1.331μm 处有比较强的吸收，且其他气体，如二氧化碳和水蒸汽等在此处无明显吸收，不会产生交叉传感问题。
分布反馈式半导体激光器(DFB LD )是一种内含介质光栅结构，具有优良选频特性的单纵模激光器，本研究所用光源采用高精度的自动功率控制(APC )和自动温度控制(ATC )技术，有很高的短期稳定度和长期稳定度，并具有连续光、内调制和外调制3种工作方式。其光谱宽度Δλ≤1nm ，输出光功率≥1mW ，短期稳定度(dB /15min )和长期稳定度(dB /8h )分别为±0.005和±0.03。光源的原理框图如图4所示。光功率控制电路通过激光器组件内的激光器和光电探测器形成功率控制环路，使激光器工作在衰减电
路设定功率的工作点上，达到自动功率控制的目的。当处于连续光方式时，激光器输出连续光；当处于内调制方式时，由信号发生电路产生方波信号调制激光器，使激光器输出调制光；当处于外调制方式时，外部输入信号调制激光器，使激光器输出调制光。衰减电路只在连续
·
20·《测控技术》2003年第22卷第11期
光和数字内调制方式下对输出光起衰减作用
。
图4 光源的原理框图
个人信息系统DFB LD 作为光源的气体传感技术在灵敏度、选
择性、动态范围、信噪比和响应时间等方面比传统方法具有诸多优点，是光纤气体传感器的首选光源。DFB LD 具有谱线窄，功率大，单纵模运行等特点，并且可以通过调整温度和注入电流来粗调和精调其输出波长。2.2 系统的组成
谐波检测甲烷气体浓度的原理框图如图5所示，是一种采用稳频措施的半导体激光器气体检测系统。光纤可以将激光器发出的光传输很长的距离，所以在设计时光源及电路处理单元均可安装于矿井外，气室置于井内，避免了由于电子元件而引发的危险，特别适用于环境条件恶劣的矿井下瓦斯气体的在线遥测
。
图5 谐波检测甲烷气体浓度原理图
气室设计采用小型渐变折射率透镜，这种透镜器件和光纤匹配性好，可选择带尾纤的渐变折射率透镜，传输光纤和透镜尾纤可以直接熔接在一起，改善了耦合的稳定性问题。系统中采用的DFB LD 前后两面均发射激光，利用后向激光穿过参考气室，参考气室内装有已知浓度的甲烷气体，检测一次谐波作为反馈信号对激光器进行温度控制精确锁定其波长于气体吸收峰上。DFB LD 前向发出经过调制的光经光纤传输到测量气室，光能与甲烷气体发生相互作用，然后将携带有用信息的光信号传输到PIN 光探测器转换成电信号，送入锁相放大器。检出两个调制频率的一次和二次谐波分量。二次谐波分量含有浓度信息，一次谐波分量主要由强度调制引起，幅度大小正比于光源的平均功率。用二次谐波和一次谐波的比值作为系统的输出，消除了激光器光强波动等共模噪声和其他同性干扰的影响，单值的表征被测气体浓度。再经过低噪声、高灵
敏度的低通滤波电路，消除背景光的交流漂移和PIN
的暗电流，并滤除信号中的高频噪声。经过上述处理的反映气体浓度的信号被送入A /D 转换器，转换成数字量后，送入计算机进行处理、显示及打印。
3 实验及结果
采用图5所示的系统进行实验，气室长度为50cm ，光纤为1km 长的9/125μm 单模光纤，在1.3～1.5μm 波长范围内的传输损耗低于1dB /km ，选择低噪声、高灵敏度的PIN 光电二极管作为光电探测器，其波长响应范围在1000～1700nm 。调整电路各参数可以看在通入气体前后测量通道的信号波形如图6所示。
图6 注气前后输出波形的变化
这说明甲烷气体与光能作用后产生了谐波信号。当气室中没有待测气体时，二次频输出信号为零，基频输出一个固定不变的电压值，此时除法器的输出为零。当有气体逐渐流入气室时浓度与信号幅度的关系如图7所示。
图7 甲烷气体浓度检测实验曲线
从图中可以看出，传感器的响应值与甲烷气体的浓度近似呈线性关系。在相同条件下，经多次测试，信号间最大偏差小于2%，其重复性、稳定性能良好。
4 结论
理论与实验表明，采用DFB LD 调制技术实现甲烷气体浓度的谐波检测，灵敏度和稳定性明显提高，可以检测的灵敏度达10×10-6，为甲烷爆炸下限的0.02%，可广泛应用于煤矿、天然气站等领域进行现
场实时监测。
(下转第27页)
·
21·基于谐波检测技术的光纤甲烷气体传感器的研究
(a ) 利用模糊修正因子法进行温湿度补偿的气体测量结果
图3 温度T 、湿度H 和修正因子α的隶属函数
(b ) 利用人工神经网络法进行温湿度补偿的气体测量结果
图4 测量结果
从图4(a )和4(b )可以看出，采用两种温湿度
补偿方法的气体测量系统都可以以较高的精度辨识出
CO 的浓度，说明以上两种补偿方法是可行的。但是需要说明的是，以上两种方法都是以温度20℃、湿度50%RH 作为传感器工作的标准条件，而经验数据和知识是在一定变化的环境条件下获得的，即：温度为15～25℃，间隔2℃、湿度为40%～60%RH ，间隔5%RH ，环境变化范围较窄，实验样本数较少；另外，测试中所采用的温湿度敏感元件本身也存在一定的精度误差，因此实际上两种方法都还达不到非常高的浓度精度。若能在优化模糊推理系统和人工神经网络的结构及参数的基础上，增加先验知识和数据，并采用精度较高的温湿度敏感元件，则可以进一步提高系统的测量精度。
3 结束语
海马ゆう针对半导体气体传感器的温湿度效应，提出了两种基于人工智能的温湿度补偿方法。CO 气体测量结
果表明，系统实现简单，补偿精度较高，具有一定的工程应用价值。另外，以上补偿方法对于其他类似测量问题也有较高的参考价值。为了提高系统的测量精度，应该进一步完善人工智能系统的结构和参数，增加先验知识和数据，并采用精度较高的温湿度敏感元件。参考文献:
[1] J .A .de Agapito ,et al .Fuzzy logic applied to gas sensors
智能sd卡[J ].Sensors and ActuatorsB ,1993,15-16:105-109.[2] Huyberech ts G ,et al .S imultaneous quantification of car -bon monoxide and methane in humid air using a sensor array and an artificial neural netw ork [J ].Sensors and Actuators B ,1997,45:123-130.
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(上接第21页)
这种方法采用光纤作为传光通道，因此不受电磁干扰影响，可以实现传感头与检测电路及信号处理电路的完全电隔离，将传感头放入矿井中进行经济、实时和安全地测量，避免了人体进入恶劣环境中所造成的伤害，防止了传统仪器产生电火花给煤矿安全生产带来的威胁。其他环境污染气体的浓度也可用类似的方法测量。参考文献:
[1] Uehara K and Tai H .Remote detection of methane using a diode laser
[J ].APP1.Opt .,1992,31:809-814.[2] Yamamoto K ,Tai H and Uchida M .Long distance simultaneous de -tection of methane and acetylene by using diode lasers in combination
w ith optical fibers [A ].Proceedings of Eighth Optical Fiber Sensors
Conference .M onterery ,C alif .IEEE ,New York ,1992:333-336.[3]
Weldon V ,Phelan P ,and Hegarty J .M ethane and carbon dioxide sensing using a DFB l aser diode operating at 1.64μm [J ].Electron .Letter .1993,29:560-561.[4]
Shimose Y ,Okamoto T ,and M aruyama A .Remote s ensing of methane gas by differential abs orption meas urement us ing a w avelength -tunable DFB LD [J ].IEEE Photon .Technol .Lett .1991,3:86-87.[5] 叶险峰，汤伟中.CH 4气体光纤传感器的研究[J ].半导体光电,2000,21(6):218-220.[6] 王莉田，史锦珊，王玉田.吸收式环境气体传感器[J ].传感器技术,1996,6(6):28-30.[7]
Chan K ,Ito H ,and Inaba H .Remote sens ing system for near -infrared differential abs orption of CH 4gas using low -loss optical fiber l ink [J ].Appl .Opt .,1984,23:3415-3419.
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27·基于人工智能的温湿度补偿方法在气体测量中的应用
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