第30卷，第3期 2010年3月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol.30.No.3.pp667-671
March，2010
窄带吸收光谱扫描技术在气体定量检测中的应用
晖1，梁建奇”，崔俊红"，吴相楠'，李仙丽
1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家承点实验室，陕西西安
710049
2.中国人民解放军93987部队，青海西宁810007
摘要提出一种基于窄带气体吸收光谱扫描技术的气体定量测款系统。利用可调谐光纤滤波器(TOF)输出的案带光作为探测光，结合波长调制技术，克服不同气体间的交叉敏感，提高了对环境中待测气体测量的选择性。为克服TOF非线性特性对测虽结果的影响，提高系统运行稳定性，系统以光纤光栅反射光谱作为参考波长，实现了T(F透射光波长调制范围以及调制中心的稳定控制。为提高系统测试灵敏度，开发了以同步累积器为核心的微弱信号检测电路，实现了系统微弱响应信号的高灵敏度提取。以乙炔气体为实验气体，通过实验证明系统响应与输人乙炔气体浓度之间其有良好的线性关系。当信噪比为3时，系统最低检测限为5×10*。
关键词吸收光谱；波长调制；光纤光栅；可调谐光纤滤波器
中图分类号：O657.3；0433.5
引言
文献标识码：A
乙炔是一种化学性质非常活泼的气体。乙炔浓度测量在工业过程控制、环境检测等领城部具有十分重要的意义"。
近红外股收式光纤气体传感器由于具有抗电磁干扰，适于易燃、易爆环境中使用等优点，广泛应用于气体检测中[2.3]。目前近红外吸收式气体传感器中主要存在测试灵敏度低和交义敏感两个间题。前者是由于多数烃类气体在近红外波段的吸收强度较弱所导致的)。后者是由于不同气体吸收谱线比较接近，使得系统在缴感一种气体的同时，常常对另一种气体也敏感[36]。多年来，各国的研究者对这两个间题进行了深入的研究。在提高测试系统灵敏度方面提出很多行之有效的办法，如：差分吸收法[7.8]、波长调制法(+1]和长光程吸收2等。而在消除不同气体交叉敏感方面，人们一直在导找有效的办法。虽然半导体激光二极管结合波长调制技术是一种月前普遍采用的解决交叉敏感间题的方法[14.15]。但是高昂的成本一直限制着它在实际中的应用。
本文提出采用压电陶瓷(PZT)驱动式可调谱光纤滤波器(TOF)与窄带波长打描技术相结合的方法，实现气体浓度的定量检测。通过严格控制TOF透射光波长在待测气体吸收线线宽范围内的正弦调制，有效消除了系统对其他气体的交叉敏感。微弱信号处理电路的设计，使系统具有较高的测试
收稿日期：2009-01-08，修订日期：2009-04-12
DOI; 10. 3964/j. issn. 1000-0593(2010)03-0667-05
灵缴度。本文详细介绍了系统结构，以及TOF扫描波长区域的准确、稳定的控制方法，最后通过实验对系统性能进行了验证。
乙炔气体检测原理
根据比耳定律，当探测光经过气室中待测气体吸收后，光强变为
I, = Ioexp[α()L]
(1)
其中I。和I；分别是探测光入射气室前、后的光强。α(>)为待测气体在波长入处的吸收系数；c为待测气体浓度，L为吸收路径的长度。
由于α(a)d≤《1，(1)式可简化为
I,I[1a()]
常压下气体吸收线可用Lorentzian函数表示[18]
a(a)
1+(2)
(2)(3)
其中，和入分别为吸收系数和气体吸收线的中心波长；为吸收线的半带宽。
当给TOF施加正弦调制控制电压时，TOF的透射光波长变化规律为
入= Ao +msino
基金项目：国家白然科学基金项日(60772016)，电力设备电气绝缘国家重点实验(EIPE09111)资助项目作者简介：丁晖，1969年生，西安交通人学电气工程学院副教授
e-mail, dinghui@mail, xjtu, edu, cn
万方数据
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