锁相放大技术在光学式甲烷气体传感器中的应用

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1、112锁相放大技术在光学式甲烷气体传感器中的应用锁相放大技术在光学式甲烷气体传感器中的应用ApplicationofLock-inAmplifierinOpticalMethaneGasSensor王琢’，曹家年’冯琳琳’(1哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江哈尔滨150001；2东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150040)摘要设计了一种基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱的光学式甲烷气体传感器，传感器针对甲烷气体位于1653_722nm处的吸收谱线，应用锁相放大技术提取微弱的一次谐波幅度信号，实

2、现对气体浓度的测量。重点分析了在光学式甲烷气体传感器中应用锁相放大的原理及关键技术。结果表明该传感器响应时间为10s，测量精度可达O．O2％VOL。关键词：传感器，甲烷，光学，锁相放大AbstractAnopticalmethanegassensorbasedonnearinfraredtunablediodelaserabsorptionspectroscopyisdesigned，andthefirstharmonicamplitudesignalofmethanegasabsorptionspectro

3、scopyat1654nmisextractedbyusinglock-inamplifier，thenthegasconcentrationismeasured．Thetheoryandkeytechnologyoflock-inamplifierusedinopticalmethanegassen—sorareanalyzed．andtheresultsshowtheresponsetimeandtheprecisionofthiskindofsensorare10sand0．02％VoLKeywords

4、：sensor，methane，optics，lock—inamplifier目前的甲烷气体传感器的主要类型有催化型、热导型、光谱宽度；0为气体吸吸收型。基于光谱吸收型的可调谐半导体激光吸收光谱(Tun—收中心谱线；其中ablediodelaserabsorptionspectroscopy，TDLAS)谐波检吸收系数OL0=N0S／测技术在气体传感器研究中，越来越多的得到应用。研究中采用叮r8，No是在标准垂直腔激光器，在保证光源温度稳定的条件下，通过改变注入电大气压下，25℃时流的大小，对甲烷气体位于16

5、53-722nm处的吸收光谱进行扫单位体积内的气体描，同时应用锁相放大技术对其中微弱的一次谐波幅度信号进的分子数；S是分行提取，实现了甲烷气体浓度的检测。子吸收线强度。通1TDLAS谐波检测基本原理。过计算得到如图1．根据量子力学的基本原理，气体分子只能吸收那些能量正所示的甲烷气体在波长nm好等于它的某两个能级能量之差的光子(v=△E／h)，不同分子=1653I722nm附近的吸收情况。图1甲烷气体在1653．722m附近的吸收系数结构的气体会因其不同能级而吸收不同波长的光，当激光器所发出的光波长覆盖气体吸收

6、线时，将会产生光谱吸收。当气体浓度C很小且吸收路径L很短的情况下，可以认一束光强为I．()的探测光通过待测气体，被待测气体分子为：o~(X)CL=I，公式(1)可写作：吸收后，透射光强为I()，根据Lambert-Beer定律：Io()=／()[7()CL](3)()=／()exp[()CL](1)设置激光器驱动电流工作点为I()，此时激光器输出波长式中：L为光程，即光通过待测气体的长度；C为待测气体为，。在工作点附近，随注入电流的变化，输出波长为线性变化。的体积浓度；仅()为气体在波长为处的吸收系数。通过光

7、强吸收通过在工作点加入电流幅度为△I，频率为f正弦信号，就可以达前后的变化，便可以反映气体浓度。但是在气体浓度较低时，不到对激光器输出波长进行调谐的目的。同时输人光强也会随着能够直接通过光强吸收前后的变化来进行测量，主要原因是光注入电流的变化而变化，此时lln()变为[1(1)十A卜cos(eJt)]，源输出光强波动的影响。光源所输出光强并不是稳定的，而是在公式(3)相应变为：一定范围内存在波动，这种波动与低浓度气体所以引起的微弱lout=[f()+a『．cos(et)]·[1-eL(X．)CL](4)吸收是

8、混叠在一起的，很难分辨。而采用丁DLAS谐波检测技术，式中：k=k1+m·COSe0t；e=2~rf。将晓()以1为中心作泰勒通过锁相放大提取，可以提取微弱的吸收谐波信号，并可以有效级数展开可以得到：的解决光强波动带来的影响。在标准大气压下，可以用洛仑兹吸0【()(T)似(T)(x-x，)十Or．”(T)(一f)‘+⋯(5)收线型来描述气体的吸收光谱，气体在单根吸收谱线处的洛仑式中：入一入=M·co