一种基于温控半导体激光波长扫描的光纤瓦斯测量系统*

肖尚辉,荆耀秋,汤 俊

(1.成都工业学院电子工程学院,成都 611730;2.北京理工大学光电学院,北京 100081;3.川煤集团芙蓉煤矿有限公司,四川 宜宾 644002)

一种基于温控半导体激光波长扫描的光纤瓦斯测量系统*

肖尚辉1*,荆耀秋2,汤 俊3

(1.成都工业学院电子工程学院,成都 611730;2.北京理工大学光电学院,北京 100081;3.川煤集团芙蓉煤矿有限公司,四川 宜宾 644002)

设计了一种基于温控半导体激光波长扫描的光纤煤矿瓦斯测量系统,通过改变中心波长1 653 nm半导体分布式反馈(DFB)激光器的工作温度来扫描半导体DFB激光器的输出波长,在5 nm波长扫描范围内,存在明显的瓦斯气体吸收峰。半导体DFB激光器输出的光注入被测气体室,气体室的输出光携带有瓦斯气体浓度信息,用光电探测器将光信号转化为电信号,再由A/D采集卡采集到信号处理系统,通过对有吸收峰位置的光功率和无吸收峰位置的光功率进行比较,则可计算出瓦斯浓度。该传感系统采用80 mA恒流源驱动半导体DFB激光器,使其输出光强保持不变,其结构简单、灵敏度高。

光纤传感;波长扫描;瓦斯测量;DFB激光器

长期以来,瓦斯爆炸已成为我国煤矿开采最严重的灾难之一。由于煤矿瓦斯爆炸而引起的事故给生命财产安全造成了巨大的损失,因此如何有效地减少或避免瓦斯爆炸事故已成为学术界和产业界一项重要的研究课题。煤矿瓦斯的主要成分是甲烷(CH4),甲烷是一种无色、无味、易燃、易爆的气体,瓦斯的爆炸界限是5%～16%。如何快速、准确、实时可靠地对井下煤矿瓦斯中的甲烷浓度进行监测和预警,对保障煤矿的安全生产、人身安全以及环境保护都有着重要作用[1-3]。众所周知,光纤气体传感器具有稳定可靠、抗电磁干扰能力强、电绝缘性好、防爆、可远距离长期在线测量、传感单元结构简单、易于组成光纤传感网络等优点,可将光纤传感头放置在易燃、易爆环境中实现远距离遥测,因此特别适宜于恶劣危险环境下的瓦斯浓度测量,已在煤矿瓦斯监测中逐步得到了越来越多的重视[4-5]。

针对目前现有方法存在的系统测量精度不高、系统结构复杂等不足[6-10],本文提出了一种温控半导体激光波长扫描光纤瓦斯测量技术,并设计实现了相应的温控波长扫描光纤瓦斯测量系统,用恒流源驱动半导体DFB激光器,并利用温度扫描电路控制激光器输出扫描的波长,可达到结构简单、使用方便、测量精度高。

1 温控波长扫描传感系统设计

基于温控半导体激光波长扫描的煤矿瓦斯光纤传感测量系统设计原理如图1所示。系统由恒流源,半导体DFB激光器,温度扫描电路,光纤环形器,气室,光电探测器,A/D采集卡和信号处理系统组成。该系统采用恒流源驱动半导体DFB激光器,并利用温度扫描电路控制激光器的输出波长,激光器输出的光进入光纤环形器的输入端①端,光纤环形器的输出端②端连接一个气室,光从气室由气室返回,带有瓦斯气体浓度信息的光就由光纤环形器的反射端③端输出到光电探测器,光电探测器将光信号转化为电信号,再由A/D采集卡采集到信号处理系统。

图1 温控波长扫描光纤煤矿瓦斯传感系统示意图

为便于测量,需要用恒流源对半导体DFB激光器进行驱动,使之输出恒定的光功率。此外,为达到扫描激光波长测量瓦斯气体的吸收峰,外加如图2所示的温度扫描控制电路结构,通过电路参数调节即可实现一定范围的温度控制半导体DFB激光器,从而使中心波长为1 653 nm DFB激光器输出波长在一定范围移动,完成对瓦斯气体的波长扫描测量。

图2 温控扫描电路

当光通过待测气体时,由于出射光强I(λ)与入射光强I0(λ)的关系满足比尔(Beer)定律,在考虑光路中各种干扰因素情况下可表示为[9-10]

I(λ)=I0(λ)exp[-α(λ)cL+β(λ)]

(1)

式中:α(λ)为一定波长下单位浓度、单位作用长度介质的吸收系数,L为待测气体与光相互作用的长度,c为待测气体浓度,β(λ)为反映光路各种干扰因素的系数。

在光纤传感瓦斯测量系统中为消除瓦斯气体测量光路中各种干扰因素的影响,可采用双波长参考测量的差分吸收方法[7-8]。若设Id(λ)为从光源分出不通过待测瓦斯气体的基准光路,则根据式(1)可得到相隔较近但在吸收系数上有很大差异的两个波长λ1和λ2通过待测瓦斯气体的输出强度为

(2)

由此可计算出待测瓦斯气体的浓度c为[11-13]

(3)

式中:K(λ1)、K(λ2)分别表示波长λ1和λ2对应的光路、光电系统总效率。

(4)

2 系统实验与测试结果

根据图1所示方案构建了温控波长扫描光纤瓦斯传感实验系统如图3所示,并进行了系统实验测试。系统采用输出波长λ1=1 653 nm(在甲烷气体的吸收峰处,作为测量光)和λ2=1 551 nm(不在甲烷气体的吸收峰处,作为参考光)的两个半导体DFB激光器作为光源,两个激光器发出的光首先通过耦合器1和耦合器2被各自分出一路分别由光电探测器PD1和PD4直接进行探测并作放大滤波处理,其余两路经波分复用器WDM1合波后进入气室,形成两个不同波长光的共光路系统,气室输出光再由波分复用器WDM2分波,得到该两路光,分别由光电探测器PD2和PD3进行探测并作放大滤波处理,最后利用UA302系列采集器将4路数据采集到计算机进行处理。

图3 温控波长扫描光纤煤矿瓦斯传感实验系统

实验中采用中心波长为1 653 nm的半导体DFB激光器,用80 mA的恒定电流源进行驱动,使其输出光功率稳定在5 mW附近,并利用温度扫描电路控制激光器的输出波长从1 651 nm扫描到1 656 nm,在这扫过的5 nm范围内,存在瓦斯的吸收峰波长λ3和与其非常接近的没有瓦斯的吸收峰波长λ4,例如测量中为λ3=1 653.7 nm、λ4=1 653.9 nm,由原理部分可知,通过比较I(λ3)和I(λ4)的值,就可以计算出瓦斯的浓度,得到波长扫描光纤瓦斯测量输出光谱示意图如图4所示。

图4 波长扫描光纤瓦斯测量输出光谱示意图

为验证图4的瓦斯测量输出光谱特性,按照如图2所示的温控电路控制1 653 nm半导体DFB激光器工作温度快速从15°升高至39°左右,根据DFB激光器特性,其输出光的波长会发生一定变化,波长变化的光通过如图3所示的实验系统可完成波长扫描光纤瓦斯测量,归一化处理后可获得较为明显的瓦斯吸收峰,然后使温度自然冷却下降,输出光的波长又随之相应变化,将再次出现非常明显的瓦斯吸收峰,如图5所示。由此可知,通过温控改变1 653 nm半导体DFB激光器的输出光波长在5 nm范围内变化,在一个完整的升温和自然冷却过程中,会出现2次较为明显的瓦斯吸收峰,与理论预期完全吻合,进一步说明基于温控半导体激光波长扫描技术可实现高精度光纤传感瓦斯测量系统。

图5 波长扫描光纤瓦斯测量输出吸收光谱实验测试

图6 输出强度比随时间的变化关系

根据我们设计完成的如图3所示实验测试样机系统,对标准浓度为3.04%的甲烷气体(甲烷与空气的混合气体)进行检测,连接实验系统,待其工作稳定后将气体通入气室,检测得到的输出强度比随时间的变化关系如图6所示。由图6可知,当对输出波长为1 653 nm激光器进行温控波长扫描时,甲烷气体对5 nm扫描范围内的某个波长有特定的吸收,即R(1 653 nm)=5.286 328,而对1 551 nm激光波长由于不在甲烷气体的吸收峰处,仅作为参考光进行比较,可得S=R(1 653nm)/R(1 551nm)=6.620 833。由此可看出,在1 653 nm这个特定波长附近,输出强度比的值有明显下降,即存在较为明显的甲烷气体吸收峰。

4 结束语

以上分析并设计了一种采用温度扫描电路控制半导体DFB激光器输出扫描变化的波长来实现光纤瓦斯测量的实验系统,可得到超过5 nm的波长扫描范围。通过恒流源驱动半导体DFB激光器,能够较好保持光源输出功率稳定。由于采用波长扫描探测技术,瓦斯吸收波长的光和没有吸收的参考波长光通过了完全相同的传输路径,抗干扰能力强,探测灵敏度高;此外,基于直接探测光功率,信号解调简单,系统成本低和可靠性高。通过减小气室损耗,增大光源功率,同时改进光电检测电路和信号处理方法,能够大大减小信号的噪声,可进一步提高传感器系统的测量分辨率。改进气室结构、光源稳定技术等对系统影响,以及缩小检测波长与参考波长的间隔,可提高该系统的稳定性和可靠性。

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肖尚辉(1973-),男,教授,兼职硕士生导师。长期负责《信号与系统》、《数字信号处理》等课程教学工作,并主编出版了应用型本科特色规划教材2部。目前主要从事无线传感网络WSN、光纤传感系统等信号处理研究,主要承担了省科技支撑计划项目、省教育厅科技项目、市科技局项目、校级项目等多项。近几年来,在国内外公开发表研究论文30余篇,其中SCI收录4篇,EI收录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

项目来源:省科技支撑计划项目(2011GZ0254);博士基金项目(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