腔增強原理的光學檢測技術范文

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1總體方案

煤礦示蹤氣體光學檢測儀器總體方案圖如圖1，光源產生的紅外光束經光調制器后變成脈沖式光束，脈沖光束穿過充滿待測氣體的光增強腔，光聲檢測器用于測量光學腔內光脈沖強度，反饋環節用于放大調整光源。由于增強腔鏡的距離與光波長產生共振，引起光增強腔內壓力變化，產生聲學駐波，信號處理環節拾取聲學駐波強度，將聲波轉換為電信號，其信號強度與待測六氟化硫氣體濃度存在近似于指數的對應關系，通過單片機運算即可確定六氟化硫氣體濃度。

2實現方法

1)光源。根據紅外段六氟化硫氣體的吸收特性和高精度遷移分子吸收數據庫，六氟化硫在500～1600cm－1段都有較明顯的吸收譜線圖，中紅外可調諧激光光源在性能上比較理想，但價格昂貴，難以推廣應用，綜合考慮煤礦井下干擾氣體種類、成本和發光效率等因素，選用的是中心波長為1000cm－1的碳化硅黑體光源，聯合中心波長為1000cm－1，狹縫寬度為±200cm－1的濾光片，配合紅外相關氣體濾波室，即可以得到純凈、穩定適用、成本適中的紅外光源［4］。2)光調制器。檢測速度是儀器效能評估的關鍵指標之一，常規光學檢測儀器的光調制器通過周期性的阻塞連續光產生脈沖光，在2個脈沖之間，調制光的光強度是0，反饋信號中斷導致腔鎖定機制慢，儀器檢測速度很低，難以滿足煤礦用戶實際需求，因此截斷器如何有效的間斷地開啟反饋信號是提升儀器檢測速度的關鍵［5］。為此，采用使光強度不降到0的方案，使調制光的強度在較高與較低之間進行切換，在光強度較低時間段，光強度略大于0，確保反饋信號不中斷，從而縮短反饋回路的響應時間。

截斷器結構圖如圖2，截斷器用于將連續光束調制為非零脈沖光束，其主體結構設計為旋轉圓盤，由透射系數略高于0的低透射部分和透射系數大致等于l的高透射部分組成［6］。截斷器以恒定角速度旋轉，在低透射部分上時，阻塞了光的大部分，通過截斷器后的光強度較低，只會激發氣體中的極少部分氣體分子，但為檢測器反饋信號已經足夠了，在高透射部分上時，通過截斷器之后的光強度較高，會激發了氣體中的許多分子，導致熱能增加，引起氣體室中壓力局部上升，為光聲檢測器提供檢測信號。3)光聲檢測器。紅外光檢測器設計受成本、尺寸、封裝形式等因素制約，以MEMS技術為基礎的紅外線檢測技術通過芯片級的封裝工藝，實現了器件的高精度、低成本和小型化，為闡述的技術提供了器件支撐，通過優化增強腔數學解析模型，得到光聲信號與氣體濃度、溫度和腔結構參數的關系［7］，結合MEMS技術，研制了光聲基于光聲檢測原理的配套檢測器。4)反饋環節。反饋環節由分光器、偏振檢測器和反饋回路等組成，用于測量輸出鏡輸出的光強度，通過反饋回路修正光頻率，使光波長與增強腔的諧振頻率基本一致，難點在光檢測器中用于微弱信號處理的鎖相放大器設計，鎖相放大器利用待測信號和參考信號的互相關檢測原理實現信號處理，能夠在較強的噪聲中提取有效信號，在微弱信號檢測方面優勢明顯。設計的鎖相放大器的基本結構包括信號通道、參考通道、相敏檢測器和低通濾波器等，鎖相放大器的基本結構圖如圖3，信號通道對調制正弦信號輸入進行放大，將微弱信號放大到足以推動相敏檢測器工作，并濾除部分干擾;參考通道對參考輸入信號進行調整，以適應相敏檢測器對信號幅度的要求，并對參考輸入信號進行移相處理，以使檢測結果達到最佳［8］。

3整機集成

煤礦示蹤氣體光學檢測儀器整機結構示意圖如圖4，儀器信號采樣及控制單元主體結構原理圖如圖5，儀器電源原理圖如圖6。光源用于產生中心波長為1000cm－1左右的可調制紅外光;光調制器用于周期性地中斷光源發出的光束，將連續的紅外光調制在特定“截斷”頻率上的一系列脈沖光;在包含半透明鏡的光學腔內，氣體室允許氣體通過氣體入口和氣體出口流動穿過，并在輸入鏡之前設置光隔離器，以減小從光源到腔鏡反射，脈沖光通過輸入鏡，進入到光學腔，在腔鏡間穿過待測氣體多次反射，六氟化硫氣體分子周期性吸收紅外光吸收紅外光能量，將氣體分子激發到更高能級，導致氣體分子熱能增加，氣體室內壓力上升，其后在下一個脈沖到達前減小壓力;反饋回路通過偏振檢測器測量光學腔中光強度，通過鎖相放大器放大、調整和拾取有效測量信號，并回饋給光源，光源根據反饋信息將光波長調諧到與2個腔鏡之間的距離產生共振;光聲檢測器安裝在氣體室中心處，拾取由吸收光在氣體中產生的聲波，將聲波轉換為電信號，根據信號強度，調制光調制器的旋轉速度，領共振頻率與脈沖光截斷頻率相匹配，使壓力變化產生截斷頻率上的聲學駐波，其信號強度與待測六氟化硫氣體濃度存在近似于指數的對應關系，通過單片機運算即可確定六氟化硫氣體濃度。

4結語

腔增強吸收光譜檢測技術是一種新型的吸收光譜技術，設計的測量系統，測量了六氟化硫的吸收光譜，結果表明，基于腔增強原理開發的光譜檢測儀器相比與基于直接吸收光譜原理的檢測儀器，機械結構同樣簡單，而在檢出限和靈敏度這2個關鍵技術指標上，前者分別到了后者無法比擬達的6×10－9和靈敏度1×10－9，接近了傅里葉光譜分析儀等大型復雜光譜設備的水平，可以用于六氟化硫等微量氣體吸收光譜方面的測量。

作者：馮文彬 單位：煤科集團沈陽研究院有限公司 煤礦安全技術國家重點實驗室