信息与通信甲烷浓光纤传感.docx

本文论述了井下有害气体（甲烷）浓度光纤传感在线检测系统。同时对矿井瓦斯爆炸的灾害特点进行了叙述,分析我国现有矿井检测装置特点及不足之处,并对该装置的基本原理进行了详细的论述。系统传感头利用CH4m处的谐波吸收谱工作。系统采用双波长差分吸收的工作方式,消除了非光吸收的其他散射和微扰等影响。用于检测瓦斯气体浓度的光纤瓦斯气体传感器在采矿、化工、石油等工业中 ,尤其在恶劣和危险的环境中 ,具有广阔的应用前景。系统中的下位机采用AT89S52对井下有害气体进行多点巡回检测、数据采集处理、气体浓度信息管理。最后对实验结果进行了讨论。关键词： 井下气体 光纤传感器 单片机 在线检测TITLE : Mine Gas SCM Fiber Sensor Control SystemAbstractThe paper discusses a kind of poison gas (CH4) optic fiber sensor system which detects the poison gas concentration in long distance. The paper first introduces the features of mine disaster, especially the fire damp explosion, it analyses the characteristics in China and brings forwards the application as well as the principle of mine-visualizing rescue instrument in detail.wavelength-division multiplexer technology .By use of the CH4,the sensor of the system works in the harmonic absorption spectrum at 1.331m.Optic fiber methane gas sensors which are used to measure the concentration of methane have a wide application prospect in mining, chemical, oil and many other industries, especially in hazardous and hostile environments. The guest computer AT89S52 is introduced for data processing, multipoint detecting tour. IPC is responsible for poison gas concentration information management. At last, it discusses the experimental results, puts forward a plan how to improve the detection sensitivity of the system.Keywords:CH4 Optic fiber sensor SCM control system On-line measurement目 录第一章绪论11.1 引言11.2 瓦斯爆炸原因分析11.3 瓦斯事故的预测21.4 光纤传感器31.5 光纤瓦斯传感器51.6 光纤瓦斯传感器发展方向81.7 设计的主要工作9第二章系统整体设计10 系统设计原理102.2 传感元件112.3 传感光路结构122.4 自参考式双光路结构14第三章光纤传感器的系统设计15 瓦斯光纤传感器系统的组成153.2 光发射端机153.3 光接收端机20第四章 多路巡回检测系统硬件设计214.1 AT89S52工作系统硬件214.2 A/D转换器芯片ADC0809224.3 看门狗电路DS1232244.4 报警电路264.5 光源调制脉冲274.6 键盘/显示接口电路274.7 串行通讯电路324.8 AT89S52工作系统软件344.9 上位机管理系统37结束语39致谢40参考文献41附录:43图1 AT89S52工作软件流程图43图2 光源驱动子程序流程图44图3 A/D转换子程序ADRV流程图45图4 数据处理子程序DATE流程图46图5 报警子程序ALARM流程图47图6 键盘中断子程序KEY48图7 液晶显示子程序DISPLAY49图8 穿行口中断服务子程序流程图50图9 移动平均滤波子程序流程图51程序清单：52第一章 绪论1.1 引言在煤炭开采过程中，瓦斯爆炸、煤尘爆炸、煤与瓦斯中毒、窒息、矿井火灾、透水、顶板冒落等多种灾害事故时有发生。在这些事故中尤以瓦斯爆炸造成的损失最大，从每年的事故统计中来看，煤矿发生一次死亡10人以上的特大事故中，绝大多数是由于瓦斯爆炸，约占特大事故总数的70%左右，为此，瓦斯称为煤矿灾害之王。因此，分析瓦斯爆炸原因，制订防治对策，显得特别重要。1.2 瓦斯爆炸原因分析瓦斯爆炸特点根据多年对煤矿瓦斯爆炸事故统计分析，可以发现有如下一些特点:瓦斯爆炸多为大事故;事故地点多发生在采煤与掘进工作面;瓦斯爆炸造成的破坏波及范围大;多为火花引爆;高瓦斯矿井、低瓦斯矿井均有发生;瓦斯爆炸多发生在乡镇煤矿;基建、技改矿井和转制矿井瓦斯爆炸事故多发。事故原因分析煤矿发生瓦斯爆炸事故与许多因素有关，但总的来说，主要与自然因素、安全技术手段、安全装备水平、安全意识和管理水平等有关，发生瓦斯爆炸事故往往是以上因素相互作用所导致的。煤矿开采条件差我国煤矿井下开采条件普遍较差，据统计，2000年全国国有重点煤矿共有580处矿井进行了瓦斯等级鉴定，其中高瓦斯矿井160处，低瓦斯矿井298处，煤与瓦斯突出矿井122处;有自然发火矿井372处，占64%，有煤尘爆炸危险矿井427处，占73.6% 。瓦斯积聚的存在煤矿井下造成瓦斯积聚的原因很多，但主要有通风系统不合理和局部通风管理不善是瓦斯积聚的主要原因。如2005年34起特大瓦斯爆炸事故中，有22起主要是因通风系统不合理，存在风流短路、多次串联和循环风，造成供风地点风量不足，而引起瓦斯积聚;有9起主要是因局部通风机安装位置不当、风筒未延伸到供风点或脱落引起供风点有效风量不足，而造成瓦斯积聚;有2起事故主要是因停电停风而引起瓦斯积聚;有1起是盲巷积聚的瓦斯被引爆。引爆火源的存在煤矿井下引爆瓦斯的火源有:爆破火花、电气火花、摩擦撞击火花、静电火花、煤炭自燃等。但放炮和电器设备产生的火花是瓦斯爆炸事故的主要火源。如2005年34起特大瓦斯爆炸事故中，有16起是由放炮产生的火花引爆的;有15起事故是由电器设备及电源线电火花引爆的。装备不足、管理不落实矿井安全装备配置不足，“先抽后采，监测监控，以风定产”方针未得到完全落实。如2005年发生的41起特大瓦斯事故中，有的矿井没有安装瓦斯监控系统或运行不正常，有的矿井虽安装有监控系统，但因传感器数量不足、安装位置不对、线路存在故障、显示器不显示数据等问题，不能有效发挥其应有的作用。此外乡镇煤矿发生的特大瓦斯事故都没有装备瓦斯抽放系统或抽放系统不能有效运行，监控系统也不能有效发挥作用。如内蒙古乌海市乌达区巴音赛煤焦有限责任公司某井虽安装了瓦斯监控系统，但在其实际开采区域却并没有瓦斯传感器，而造成特大瓦斯事故的发生，死亡16人。管理水平低许多事故分析发现，违章操作或管理不当而造成了一些本可避免的事故，但未引起重视，最终酿成特大瓦斯爆炸事故。因此，管理水平和职工的安全意识对于煤矿的长期安全生产非常重要。企业技术管理薄弱一些煤矿企业由于采煤方法落后，引起矿井采掘布置不合理，通风系统不完善，此外，作业规程编制不符合实际，针对性不强，给安全生产带来了严重隐患。1.3 瓦斯事故的预测长久以来，各国科学家对瓦斯事故的预测作了不懈的努力，也取得了很好的成绩，如：干式、湿式气敏元件，热电阻瓦斯传感器，半导体气敏元件等都在甲烷气体浓度检测中起到了一定的作用，但是这些元件选择性较差，现场有电接触，当可燃气体浓度较高时，存在引爆危险。因此，在多种传感器中，气体光纤传感技术更为引人注目，因为开发这类光纤传感技术可以充分利用光纤传感的安全性、灵敏和实时等优点。光纤传感器由于它的抗电磁干扰和原子辐射的性能、径细、质软、重量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能。它能够在人达不到的地方，或者对人有害的地区，起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理极限，接收到人所感受不到的外界信息。光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点，如灵敏度高，抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接，结构简单，体积小，重量轻，耗电少等。因此光纤传感器凭借其优异性能在生产实践中得到广泛应用。1.4 光纤传感器 光纤传感器的分类光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。1) 功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，所以也称传感型光纤传感器，或全光纤传感器。2)非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号所以也称为传光型传感器或混合型传感器。 光纤传感器的发展随着密集波分复用DWDM技术、掺铒光纤放大器EDFA技术和光分时复用OTDR技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统的方向发展，并且逐步向全光网络演进。在光通信迅猛发展的带动下，光纤传感器作为传感器家族中年轻的一员，以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度等方面独一无二的优势，已迅速成长为年成交额超过10亿美金，并预计将于2010年拥有超过50亿美金市场的产业。每年由美国光学工程师学会(OSA)主办的光纤传感国际会议（OFS）及时报道着光纤传感领域的最新进展，并对光纤传感及其相应技术进行有益的研讨。 当前，世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那样迅速地获得产业化，许多关键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化有一定的距离，因此光纤传感技术的原理性研究仍处于相当重要的位置。由于很多光纤传感器的开发是以取代当前已相当成熟，可靠性和成本已得到公认，并已经被广泛采用的传统机电传感系统为目的，所以尽管这些光纤传感器具有如电磁绝缘、高灵敏度、易复用等诸多优势，其市场渗透所面临的困难和挑战是可想而知的。而那些具有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中占有明显优势，FBG和其它的光栅类传感器就是一个最好的例证。当前的原理性研究热点集中于光纤光栅（FBG和LPG）型传感器和分布式光纤传感系统两大板块。 FBG型光纤传感器自发明之日起，已走过了原理性研究和实验论证的百家争鸣阶段。目前成熟的FBG制作工艺已可形成小批量生产能力，而研究的焦点也转向解决高精度应用，完善解调和复用技术，以及降低成本等几个方向上。另一方面，由于光纤传感器具有将传输与传感媒质合而为一的特性，使得沿布设路径上的光纤可全部成为敏感元件，因此，分布式传感成为光纤传感器与生俱来的优点。对于光纤传感技术的应用研究主要有以下四大类：光（纤）层析成像技术（OCT，OPT）、智能材料（SMART MATERIALS）、光纤陀螺与惯导系统（IFOG，IMIU ）和常规工业工程传感器。另外，由于光纤通信市场需求的带动以及传感技术的特殊要求，新型器件和特种光纤的研究成果也层出不穷。目前，我国的光纤传感器研究大多数集中于大专院校和科研单位，仍然未完成由实验室向产品化的过渡。其中，比较成熟的技术包括：清华大学光纤传感中心与总后合作研制开发的光纤油罐液位与温度测量系统，已经安装运行数年；北京航空航天大学与总装合作研制的光纤陀螺系统，目前指标为0.2/hr； 中国计量学院研制的分布式光纤传感系统，已有产品报道；华中理工大学与广东某公司联合研制的强电压、大电流传感系统。此外，在广东、深圳等地，还建立了许多光纤无源器件生产厂家。由于光纤传感器未能跨越产品化的门槛，并未像光纤通信产业那样成指数型增长，许多与我们日常生活密切相关的传感器产品（如交通管理、警报装置等）和大量的测试仪器依然依赖于进口，亟待发展的空间非常广阔。光纤通信的迅猛发展带动新型光纤器件和材料的不断涌现，为光纤传感系统的开发提供了必要的基础。新型材料光纤和新型结构光纤前景看好。 mm的近红外波段，目前所能达到的最低理论损耗在1550nmdBkm，已接近石英光纤理论上的最低损耗极限，成为满足超宽带宽、超低损耗、高码速通信需要新型基体材料的光纤。m附近为无中继距离可达到1105kmm12mdBkm，是非常有前途的光纤。而且，硫化物玻璃光纤具有很大的非线性系数，用它制作的非线性器件，可以有效地提高光开关的速率，使开关速率达到数百Gbs以上。重金属氧化物玻璃光纤具有优良的化学稳定性和机械物理性能，若把卤化物玻璃与重金属氧化物玻璃的优点结合起来，制造成性能优良的卤-重金属氧化物玻璃光纤，将具有重要意义。 特殊的应用环境对光纤有特殊的要求，石英光纤的纤芯和包层材料具有很好的耐热性，耐热温度达到400500，所以光纤的使用温度取决于光纤的涂覆材料。目前，梯型硅氧烷聚合物（LSP）涂层的热固化温度达400以上，600时的光传输性能和机械性能仍然很好。采用冷的有机体在热的光纤表面进行非均匀成核热化学反应（HNTD），然后在光纤表面进行裂解生成碳黑，即碳涂覆光纤。碳涂覆光纤的表面致密性好，具有极低的扩散系数，而且可以消除光纤表面的微裂纹，解决了光纤的“疲劳”问题。另一方面，光纤的结构决定了光纤的传输性能，合理的折射率分布可以减少光的衰减和色散的产生，并增加光能量的传输。随着光纤通信系统的迅速发展，出现了DFF（色散平坦光纤）。为了DWDM系统能够在尽可能宽的可用波段上进行波分复用，各个公司都致力于消除OH-吸收峰，已开发出的“无水峰光纤”，可实现1350nm1450nm第五窗口的实际应用。美国Lucent公司开发出的All Wave光纤，克服了OH-的谐波吸收，从而实现了1280nm1625nm范围内完整波段的利用。为了适应相干通信系统的要求，已经研制出了“熊猫”型、“蝴蝶结”型和“扁平”型的高双折射保偏光纤，另外具有“边坑”型的单模单偏振保偏光纤，以及正在研究中的蜂窝型波导光纤液晶光纤（见图）等等，这些都将为光纤传感器的发展提供更加广泛的选择。 图1.1 （a）液晶芯光纤（b）液晶包层光纤（c）微型结构光纤随着光电子技术近年来突飞猛进的发展，光纤传感技术经过二十余年的发展也已获得长足的进步，它进入实用化阶段，逐步形成传感领域的一个新的分支 。不少光纤传感器以其特有的优点，替代或更新了传统的测试系统，如光纤陀螺、光纤水听器、光纤电流电压传感器等；出现一些应用光纤传感技术的新型测试系统，如分布式光纤测温系统，以光纤光栅为主的光纤智能结构；改造了传统的测试系统，如以光纤构成的新型光谱仪；利用电/光转换和光/电转换技术以及光纤传输技术，把传统的电子式测量仪表改造成安全可靠的先进光纤式仪表等等。1.5 光纤瓦斯传感器光纤瓦斯传感器的研究起步较晚，直到上世纪八十年代才有人报导了光纤瓦斯检测的实验。现在瓦斯检测的方法主要有两种，一是利用瓦斯气体的光谱吸收检测浓度；二是利用瓦斯浓度和折射率的关系用干涉法测折射率。本文着重介绍了吸收法的基本原理，并对其特点作简要的评述。单波长吸收比较型吸收法的基本原理均是基于光谱吸收，不同的物质具有不同特征吸收谱线。单波长吸收比较型属吸收光谱型传感器，根据Lambert定律：式（1-1） 其中I，I0为吸收后和吸收前射线强度为吸收系数L为介质厚度c为介质的浓度从上式（1-1）可以看出，根据透射和入射光强之比，可以得知气体的浓度。选择合适波长的光源。脉冲发生器使激光器发出脉冲光，或采用快速斩波器将连续光转变成脉冲光（斩波频率为数KHz），经透镜耦合进入光纤，并传输到远处放置的待测气体吸收盒，由气体吸收盒输出的光经接收光纤传回。干涉滤光片选取瓦斯吸收率最强的谱线，由检测器接收，经锁相放大器后送入计算机处理，根据强度的变化测量瓦斯浓度。瓦斯的吸收波长为1.14, 1.16,1.66,2.37,2.39(mmm）是微弱的，这种传感方式把气体吸收盘输出光强作为判断瓦斯浓度的判据，因而光源输出强度的波动，光纤耦合效率的变化和外界扰动引起接收光强度变化，都会使检测结果产生误差。因为用Lock-in Am.对微弱信号进行监测，能有效地抑制高频噪声，但对一些低频噪声，其抑制能力较弱。此外，传感头对其它气体的抗干扰能力也较弱。据最新报道，目前已有科学家采用半导体激光器代替脉冲激光器，待测气体吸收盒外壳采用压电陶瓷，通过压电陶瓷对吸收盒的调制，从而实现对微弱的吸收信号进行测量。这种方案解决了光源体积大，成本高的问题。双波长差分吸收型双波长差分吸收型是在单波长吸收比较型的基础上改进而成的。两种不同波长的光和在光纤中传输，经气体盒吸收后分别探测其强度。位于瓦斯气体吸收波长峰值处，因而输出强度下降；而在非吸收峰处，强度不变。根据两种波长光强度变化的相对值可得知瓦斯浓度。在单波长吸收比较型中所述光强波动造成的不稳定因素对和的影响是相同的，因而不会影响检测精度。式（1-2）据国外报道，这种探测系统在石油钻井现场进行了应用，证明可行，但系统的长期稳定性，光波和检测器的波长、温度稳定性仍会造成误差。窄带谱线吸收型mm,而瓦斯气体的吸收谱线远窄于m 。由于检测谱线宽度远大于吸收谱线，即光谱中被吸收的成份很小，不利于高灵敏度检测。如果选择瓦斯吸收峰的窄带波长，则可获得大的检测对比度。但是选择单一波长则会由于模式噪声造成严重的干涉噪声，为了避免这个问题可以采用梳状滤波器来选择多个瓦斯峰位谱线，以降低光源的相干性，降低模式噪声。法布里珀罗谐振腔就是一种很合适的梳状滤波器。法布里珀罗谐振腔是由两个高反射率平面镜构成，其梳状态滤波的原理是基于多束光的干涉，其周期性光谱透过率为：式（1-3）式中L由两个高反射率平面镜间距，m波m。由于法布里珀罗谐振腔(F-P)扩大了色散，因而不同级不同波长的干涉条纹就会重叠，互不重叠的光谱范围变窄。不重叠的光谱范围称为自由光谱范围，由波动光学理论得到在正入射情况下，法布里珀罗谐振腔的自由光谱范围为：式（1-4）mm。此时，不同吸收谱线将重叠在一起，从而大大提高测量的信噪比。由于各谱线之距并不完全相等，因此我们在设计布里珀罗谐振腔(F-P)时，镜面反射率不宜过大，以保证各谱线干涉条纹有一定的宽度，这样重叠的部分将增大。渐逝场泄漏型渐逝场泄漏型光纤瓦斯传感器属功能型。采用一段裸光纤，放置在待测场中，周围瓦斯浓度的变化即折射率的变化导致光纤中的渐逝场泄漏到周围空气中，从而探测瓦斯浓度，目前仅见国外有关的报道。为提高监测灵敏度，裸光纤采用特殊工艺制造。这种采用裸光纤和渐逝场泄漏方式的传感器在实际应用中显然要遇到光纤表面被环境污损的威胁。染料光谱吸收型染料光谱吸收型是检测气体的光纤传感器中很有前途的一种。它采用聚合物包层光纤，聚合物中含有气敏染料。染料与气体作用后状态发生变化，在各种不同的状态下有不同的吸收光谱这与值传感器很相似。利用这种方法针对不同气体用不同的气敏染料，从而达到检测目的。遗憾的是至今尚未见到有关与瓦斯作用的气敏染料报导。可以想象这种方法要受化学作用速度的限制，所以要受环境温度、湿度的影响，同时要求气敏材料应具有可逆性。干涉型光纤瓦斯传感器干涉型光纤瓦斯传感器采用两束光干涉的方法检测气室中折射率的变化，而折射率的变化直接与浓度有关。事实上，目前国内普遍使用的便携式瓦斯检定仪均是基于此原理。此类传感器存在需经常调校、易受其它气体干涉的不足，其可靠性及稳定性均较差。1.6 光纤瓦斯传感器发展方向分布式传感器应用传感器的目的在于把某一信息中的有用信号进行获取转换与传输，以实现信息采集或自动化控制。其作用类似于人体五官的感觉功能。现在世界上所具有的传感器，其检测精度远远超过了人。但在测量具有一定空间的某种量，或多维复合量方面传感器的水平与人类相差很远。目前光纤瓦斯传感器只是停留在对某一点瓦斯浓度检测的精度和可靠性或采用多点测的系统研究上。从发展眼光，实现多点甚至连续点的检测并不是靠多个传感器堆积，而是靠现已引起广泛兴趣的分布式传感器。就目前的光纤传感技术发展而言，渐逝场泄漏型及染料光谱吸收型是具有分布式瓦斯传感器潜力的两种方法。对于渐逝场泄漏型光纤瓦斯传感器，必须很好地解决在实际应用中光纤表面被环境污损的威胁，透气薄膜也许是解决此问题的一种较好办法。对于染料光谱吸收型，关键技术在于与瓦斯作用的气敏染料的发现。可以相信，随着科学技术的发展，OTDR（光时域反射计）技术很有可能促进渐逝场泄漏型及染料光谱吸收型传感技术的迅速发展。小型化小型化和集成化是光纤瓦斯传感器发展的又一目标，它对于系统的长期稳定性和成本下降很有作用。目前采用的气室需一定长度，因为光与待测气体作用距离越长变化越明显。White等人提出的White气室使气室小型化有了方向。利用两片弯曲的镜片，使光在气室中往返反射传输，有效地增加了气体与光的它作用距离。与光纤成为一体的White气室的研制成将是光纤瓦斯传感器向小型化集成化迈进的一大步。智能化传感器的智能化始终是一个重要的发展方向。瓦斯传感器的智能化是与微机单片机的应用紧密相联的。计算机与瓦斯传感器的结合使数据处理，显示报警以至断电记忆等方便可行。同时计算机能够分时处理来自多个瓦斯传感器的的信息，从而实现瓦斯的多点检测。1.7 设计的主要工作本设计的任务是井下气体光纤传感在线控制系统。它利用光纤来传输信号，从系统的整体设计入手，包括光纤传感器系统设计，多路循环检测系统设计，AT89S52的硬件设计，软件设计，上位机管理系统设计。设计中采用了，气体吸收池对光进行调制，检测两种波长的光强变化以测量遥测点浓度的大小。查阅大量的资料为硬件电路的设计，软件程序的编辑做的充分的准备。第二章 系统整体设计在生产实际应用中，系统应结构简单、易于维护、操作方便、物美价廉，所以系统采用调制光强的非功能型光纤传感器并引入微机化管理。为准确、及时反应井下甲烷气体浓度分布情况，系统按一定布局放一检测网，形成多点分布检测系统。因此多点巡回检测甲烷气体光纤传感系统采用这样的设计：系统由井上和井下两部分组成，井下为传感部分，井上由上位机IPC，下位（AT89S52）及光学系统组成，光纤图2.1 甲烷气体光纤传感器系统整体框图 光源、光纤、光检测器等的选择应满足光纤传感器的要求;传感元件、传感电路的选择则直接系统的灵敏度;下位机采用AT89S52,完成光源驱动，64路甲烷气体浓度巡回检测，数据采集与处理，并与上位机串行通讯交换数据;小键盘用于置入参数，数码显示，越线报警等；上位机使用IPC,可完成浓度显示，存盘记录，报警等。根据一般的技术条件，系统响应时间最多不超过5秒钟，系统检测精度为3vol%（注：甲烷浓度越线报警值一般为2060%LEL,即13vol%。易爆气体通常用%LEL来计量，对甲烷而言，100%就等与5vol%）。由于系统采用双管路系统及计算机参与，所以能满足工作要求。 2.2 传感元件在该光纤瓦斯传感器中，传感头气体吸收池是十分重要的。在气体吸收池内，传导光纤被分成两部分，分别称为输入光纤和输出光纤，气体在吸收池内对通过两光纤之间的光进行调制，这属于透射型调制方式。其原理如下：图2.2 透射式光强调制原理根据比尔一朗伯特定律，当光强为I0的光波通过均匀气体介质时会发生衰减，根据朗伯定律，输出光强I(t)与输入光强I0(t)和气体浓度之间的关系满足下式： 式（2-1）式（2-1）中一定波长下的单位浓度、单位长度气体的吸收系数；L待测气体与光作用的长度；C待测气体浓度； 比例系数；图2.3为CH,气体在近红外波段的吸收谱线，光通过气体后发生了谱线吸收。当气体浓度很小时，气体的吸收峰也很小，输出光强的变化也很小，当气体浓度大时输出光强的变化也就大了。所以通过测量光功率的衰减，便可测出气体的浓度。实际测量中，光的散射，光纤的弯曲，光学系统耦合状态的变化，光器件的污染及老化等都会使整个光学系统灵敏度下降，因此从测量方法上采取补偿措施。图2.3 CH气体在近红外波段的吸收谱线2.3 传感光路结构 单光路结构（见图2.4）光源输出光功率耦合到光纤f1中，f1：输出光功率在气体吸收池处被气体浓度所调制，含有浓度信息的光信号被耦合到光纤f2，最后到检测器D.这种结构的缺点是当光源老化或驱动电流不稳定以后各个耦合环节有变化使耦合效率发生变化时造成的光强变化影响测量精度，这种光路结构无法消除这种影响。图2.4 单光路结构 双波长差分检测为解决各种随机因素对光强衰减的影响，采用双波长差分检测法正好能解决这个问题。光谱吸收型气体传感器利用气体的吸收光谱因气体分子化学结构、浓度和能量分布差异产生的不同进行检测 ,从而具有了选择性、鉴别性和气体含量的惟一确定性等特点. 如果光源光谱覆盖一个或多个气体的吸收线 ,则光通过待测气体时就会发生衰减 ,输出光强输入光强和气体的体积分数C之间关系满足Beer-Lamber定理 , 即: 式(2-1)式中:为气体吸收系数; 为吸收路径的长度 ,为气体的体积分数. 对式(2-1) 进行变换 ,得式(2-2)从式(2-2) 可知 ,如果 L ,已知 ,那么 ,通过检测 I 、I0 就可以得到气体的体积分数 C. 而通过确定吸收峰的位置可以进一步确定气体的种类 ,达到气体探测的目的。双波长差分工作方式除了检测吸收谱线的波长外 ,还检测一个不被气体吸收的波长作为考考信号 ,这样 ,上述因素对两种波长所引起的信号电平基本相同 ,以相对值作为检测结果就可以消除因此而引起的误差. 考虑到光路的干扰因素 ,将式(2-1) 修正为式（2-3）式中: 为光路干扰; 为光学系统耦合效率. 通过选用两个相距很近的波长 、 分别对应NO2 的强吸收波长和不吸收波长(或弱吸收波长) ,通过待测气体有式(2-4)式(2-5)则待测气体的体积分数可以表示为 式(2-6)由于和相差很小 , 光几乎同时接近和通过待测气体 ,可以认为 式(2-7)式(2-8)适当调节光学系统使式(2-8) 又可简化为式(2-9)实际应用中 ,气体的吸收系数和检测气体的浓度很小 ,有 对 进行泰勒展开式(2-10)气体体积分数为式(2-11)在波长 、下 ,若气体的吸收系数、 可以测量 ,测气体体积分数就可以从 和的测量中求出 , 可以看出差分吸收不仅从理论上完全解决了光路的干扰问题 ,同时还消除了光源输出光功率不稳定的影响.2.4 自参考式双光路结构如果把双波长差分检测的条件极限理想话即让第二个光路波长等于第一个光路波长，第二个光路的气体吸收为0，那么就形成了子参考方式双光路结构（图2.5）这种结构同样从理论上完全解决了光路的干扰问题 ,消除了光源输出光功率不稳定的影响，而且计算简单测量精度高，可以大大提高系统的灵敏度。所以本系统采用自参考式双光路结构图（图2.5）。图2.5 自参考式双光路结构第三章 光纤传感器的系统设计3.1 瓦斯光纤传感器系统的组成如图3.1瓦斯光纤光感系统包括光发射端机、光缆、气体吸收池、光接收端机、控制电路组成。光源发出和甲烷气体吸收谱带相匹配的光谱；甲烷气体在气体吸收池内完成红外吸收；光电探测器将气体吸收池后的光信号转换成电信号；控制电路由光源驱动电路、放大电路等组成，分别完成光源驱动、控制红外光源、放大转换电信号等作用。信号传输由光缆完成。图3.1 光纤瓦斯气体传感系统3.2 光发射端机 光源光纤传感器所选用的光源类型在很大程度上决定了此传感器的工作模式、信号处理方法、分辨率、灵敏度及测量精度，因而选择一种合适的光源对整个光纤传感器的设计起着至关重要的作用。然而，在选择光源时，应考虑的因素很多，如光源的尺寸、输入输出功率、稳定性、相干性、光谱特性以及与光纤的耦合难易程度等，另外光源的价格也在很大程度上决定了这种光纤传感器最终是否能够实用化。光纤传感器使用的光源有很多种，按发光机理分热光源、气体光源和半导体发光器等。1）热光源 热光源的主要原理是由电流加热合适的材料使其产生热辐射。典型的热光源是钨灯，其优点是结构简单，使用方便且具有连续光谱。这种热光源用在光纤传感器中时有两个非常重要的问题值得考虑：一个是光源的稳定性问题，根据经验，钨丝产生的光电流正比于灯丝电压的34次幂，因此为了保证提供较稳定的光功率就必须应用具有非常高稳定性的电源和电路；另一个问题是调制速率的限制，对这种光源的调制一般采用机械斩波器，但其频率通常低于1kHz，这在很多光纤传感器的应用中是远远达不到要求的。鉴于这些限制，在实际光纤传感器的设计中一般不提倡选用此种光源。2）气体放电光源玻璃管密封的气体在紫外线或射线作用下，有少量分子被电离，在其内密封两个电极，当外加电压足够高时，电场作用使带电粒子动能增大到足以电离其它气体分子，气体分子吸收带电粒子能量，使电子跃迁到激发态，由于电子在激发态上是不稳定的，将在极短的时间内回到低能级态甚至基态，此时能量将以光的形式释放。气体放电光源的发光原理就决定了其发光光谱是不连续的。这种光源有两个显著的特点高强度和短波长，正因为此，使得其在光纤传感方面有了独特的用处。比如，用气体放电光源发出的高强度短波长的光来激发待测物质，使其发射荧光，可用来检测物质的温度、含量等。3）发光二极管发光二极管（LED）是用半导体材料制作的正向偏置的PN结二极管。其发光机理是当在PN结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子（电子空穴对）在扩散过程中复合发光，这种发射过程主要对应光的自发发射过程。按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和边发射型。我们最常用的LED是 InGaAsP/InP双异质结边发光二极管。发光二极管具有可靠性较高，室温下连续工作时间长、光功率电流线性度好等显著优点，而且由于此项技术已经发展得比较成熟，所以其价格非常便宜。因此在一些简易的光纤传感器的设计中，如果LED能够胜任，选用它作为光源即可大大降低整个传感器的成本。然而LED的发光机理决定了它存在着很多的不足，如输出功率小、发射角大、谱线宽、响应速度低等。因此，在一些需要功率高、调制速率快、单色性好的光源的传感器设计中，就不得不以提高成本为代价，选用其它更高性能的光源。4）光纤激光器光纤激光器实际上也属于固体激光器，只是将激光物质换为了稀土离子掺杂光纤，根据掺杂离子的不同以及两端起反射镜功能机理的不同可以分为掺稀土光纤激光器、光纤光栅激光器、非线性效应光纤激光器、单晶光纤激光器、塑料光气激光器、光孤子激光器等。光纤激光器主要优点在于容易使低泵浦实现连续工作；其阈值低，增益高，热效应低；利用定向耦合和Bragg反射，可制作窄线宽、可调谐光纤激光器；能很好地与光纤耦合，与现有的光纤器件完全兼容，能进行全光纤测试，可传输系统光源，这在任何光系统、光器件的设计中都是及其珍贵也及其重要的。因此，光纤激光器在下一代的光纤传感器中的应用具有非常好的前景。特别是用作光纤时域发射（OTDR）测量的强光源以及光纤陀螺的宽带发射源。在比较了热光源、气体光源和半导体发光器件的优缺点后，发现半导体发光器件是首选光源。因为半导体发光器件的发射光谱带宽很窄，单色性好而发光二极管和激光二级管相比，其波长取决于材料的能带结构及参杂情况，虽然响应速度激光二极管快，但它体积小、重量轻、功耗低、安装简易、性能稳定，价格比激光二极管便宜，而亮度高于热光源，功率为1mW的发光二极管，亮度相当于25W/（）；质量好的发光二极管，其亮度可以达到几百W/（）；发光二极管的寿命比激光二极管的长，可达到300万小时。所以我们最终选择了发光二极管。在决定了选用发光二极管LED之后，现在根据甲烷的吸收谱线决定LED的发光波长，甲烷umum波长有很强的红外吸收光谱，但适应光纤在这些波长下消耗太大以至无法遥测。甲烷在umum波长处有吸收峰存在，而光纤在1.33 um波长处损耗最小，所以LED的发射波长um空分复用技术一定数量N的光纤传感器，其中每一个均和各自的输入和返回光纤连线构成一个传感通道。可以通过使它们共用一个光源和一个多路探测器阵列或使之共用一个公共探测器和一个多路光源来复用，组成一个结构简单的网络。或者，不使用多路探测器阵列或多路光源。而使用单探测器或单光源与光纤开关或光纤多路祸合器(1XN路祸合器)，同样可达到此目的。这种从各分立的光纤连线对传感器定位的方法.称为空分复用(SDM),其原理示意图如图所示。由图可见，空分复用网络需要很多根光纤以及连接或分布元件但是它却具有无串扰的优点。图3.2 空分复用的光纤传感器网络原理示意图 光纤连接器光纤连接器是光纤与光纤之间进行可拆卸（活动）连接的器件，它是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小，这是光纤连接器的基本要求。在一定程度上，光纤连接器也影响了光传输系统的可靠性和各项性能。本系统采用SC型光纤连接器。此类连接器价格低廉，插拔操作方便，介入损耗波动小，抗压强度较高，安装密度高。光纤连接器按传输媒介的不同可分为常见的硅基光纤的单模、多模连接器，还有其它如以塑胶等为传输媒介的光纤连接器；按连接头结构形式可分为：FC、SC、ST、LC、D4、DIN、MU、MT等等各种形式。其中，ST连接器通常用于布线设备端，如光纤配线架、光纤模块等；而SC和MT连接器通常用于网络设备端。按光纤端面形状分有FC、PC（包括SPC或UPC）和APC；按光纤芯数划分还有单芯和多芯（如MT-RJ）之分。光纤连接器应用广泛，品种繁多。在实际应用过程中，我们一般按照光纤连接器结构的不同来加以区分。以下是一些目前比较常见的光纤连接器：1)FC型光纤连接器 这种连接器最早是由日本NTT研制。FC是Ferrule Connector的缩写，表明其外部加强方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣。最早，FC类型的连接器，