腔增強(qiáng)原理的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)范文

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1總體方案

煤礦示蹤氣體光學(xué)檢測(cè)儀器總體方案圖如圖1，光源產(chǎn)生的紅外光束經(jīng)光調(diào)制器后變成脈沖式光束，脈沖光束穿過(guò)充滿(mǎn)待測(cè)氣體的光增強(qiáng)腔，光聲檢測(cè)器用于測(cè)量光學(xué)腔內(nèi)光脈沖強(qiáng)度，反饋環(huán)節(jié)用于放大調(diào)整光源。由于增強(qiáng)腔鏡的距離與光波長(zhǎng)產(chǎn)生共振，引起光增強(qiáng)腔內(nèi)壓力變化，產(chǎn)生聲學(xué)駐波，信號(hào)處理環(huán)節(jié)拾取聲學(xué)駐波強(qiáng)度，將聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其信號(hào)強(qiáng)度與待測(cè)六氟化硫氣體濃度存在近似于指數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)單片機(jī)運(yùn)算即可確定六氟化硫氣體濃度。

2實(shí)現(xiàn)方法

1)光源。根據(jù)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(shù)據(jù)庫(kù)，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(diào)諧激光光源在性能上比較理想，但價(jià)格昂貴，難以推廣應(yīng)用，綜合考慮煤礦井下干擾氣體種類(lèi)、成本和發(fā)光效率等因素，選用的是中心波長(zhǎng)為1000cm－1的碳化硅黑體光源，聯(lián)合中心波長(zhǎng)為1000cm－1，狹縫寬度為±200cm－1的濾光片，配合紅外相關(guān)氣體濾波室，即可以得到純凈、穩(wěn)定適用、成本適中的紅外光源［4］。2)光調(diào)制器。檢測(cè)速度是儀器效能評(píng)估的關(guān)鍵指標(biāo)之一，常規(guī)光學(xué)檢測(cè)儀器的光調(diào)制器通過(guò)周期性的阻塞連續(xù)光產(chǎn)生脈沖光，在2個(gè)脈沖之間，調(diào)制光的光強(qiáng)度是0，反饋信號(hào)中斷導(dǎo)致腔鎖定機(jī)制慢，儀器檢測(cè)速度很低，難以滿(mǎn)足煤礦用戶(hù)實(shí)際需求，因此截?cái)嗥魅绾斡行У拈g斷地開(kāi)啟反饋信號(hào)是提升儀器檢測(cè)速度的關(guān)鍵［5］。為此，采用使光強(qiáng)度不降到0的方案，使調(diào)制光的強(qiáng)度在較高與較低之間進(jìn)行切換，在光強(qiáng)度較低時(shí)間段，光強(qiáng)度略大于0，確保反饋信號(hào)不中斷，從而縮短反饋回路的響應(yīng)時(shí)間。

截?cái)嗥鹘Y(jié)構(gòu)圖如圖2，截?cái)嗥饔糜趯⑦B續(xù)光束調(diào)制為非零脈沖光束，其主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)，由透射系數(shù)略高于0的低透射部分和透射系數(shù)大致等于l的高透射部分組成［6］。截?cái)嗥饕院愣ń撬俣刃D(zhuǎn)，在低透射部分上時(shí)，阻塞了光的大部分，通過(guò)截?cái)嗥骱蟮墓鈴?qiáng)度較低，只會(huì)激發(fā)氣體中的極少部分氣體分子，但為檢測(cè)器反饋信號(hào)已經(jīng)足夠了，在高透射部分上時(shí)，通過(guò)截?cái)嗥髦蟮墓鈴?qiáng)度較高，會(huì)激發(fā)了氣體中的許多分子，導(dǎo)致熱能增加，引起氣體室中壓力局部上升，為光聲檢測(cè)器提供檢測(cè)信號(hào)。3)光聲檢測(cè)器。紅外光檢測(cè)器設(shè)計(jì)受成本、尺寸、封裝形式等因素制約，以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的紅外線檢測(cè)技術(shù)通過(guò)芯片級(jí)的封裝工藝，實(shí)現(xiàn)了器件的高精度、低成本和小型化，為闡述的技術(shù)提供了器件支撐，通過(guò)優(yōu)化增強(qiáng)腔數(shù)學(xué)解析模型，得到光聲信號(hào)與氣體濃度、溫度和腔結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系［7］，結(jié)合MEMS技術(shù)，研制了光聲基于光聲檢測(cè)原理的配套檢測(cè)器。4)反饋環(huán)節(jié)。反饋環(huán)節(jié)由分光器、偏振檢測(cè)器和反饋回路等組成，用于測(cè)量輸出鏡輸出的光強(qiáng)度，通過(guò)反饋回路修正光頻率，使光波長(zhǎng)與增強(qiáng)腔的諧振頻率基本一致，難點(diǎn)在光檢測(cè)器中用于微弱信號(hào)處理的鎖相放大器設(shè)計(jì)，鎖相放大器利用待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的互相關(guān)檢測(cè)原理實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理，能夠在較強(qiáng)的噪聲中提取有效信號(hào)，在微弱信號(hào)檢測(cè)方面優(yōu)勢(shì)明顯。設(shè)計(jì)的鎖相放大器的基本結(jié)構(gòu)包括信號(hào)通道、參考通道、相敏檢測(cè)器和低通濾波器等，鎖相放大器的基本結(jié)構(gòu)圖如圖3，信號(hào)通道對(duì)調(diào)制正弦信號(hào)輸入進(jìn)行放大，將微弱信號(hào)放大到足以推動(dòng)相敏檢測(cè)器工作，并濾除部分干擾;參考通道對(duì)參考輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)相敏檢測(cè)器對(duì)信號(hào)幅度的要求，并對(duì)參考輸入信號(hào)進(jìn)行移相處理，以使檢測(cè)結(jié)果達(dá)到最佳［8］。

3整機(jī)集成

煤礦示蹤氣體光學(xué)檢測(cè)儀器整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4，儀器信號(hào)采樣及控制單元主體結(jié)構(gòu)原理圖如圖5，儀器電源原理圖如圖6。光源用于產(chǎn)生中心波長(zhǎng)為1000cm－1左右的可調(diào)制紅外光;光調(diào)制器用于周期性地中斷光源發(fā)出的光束，將連續(xù)的紅外光調(diào)制在特定“截?cái)唷鳖l率上的一系列脈沖光;在包含半透明鏡的光學(xué)腔內(nèi)，氣體室允許氣體通過(guò)氣體入口和氣體出口流動(dòng)穿過(guò)，并在輸入鏡之前設(shè)置光隔離器，以減小從光源到腔鏡反射，脈沖光通過(guò)輸入鏡，進(jìn)入到光學(xué)腔，在腔鏡間穿過(guò)待測(cè)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(fā)到更高能級(jí)，導(dǎo)致氣體分子熱能增加，氣體室內(nèi)壓力上升，其后在下一個(gè)脈沖到達(dá)前減小壓力;反饋回路通過(guò)偏振檢測(cè)器測(cè)量光學(xué)腔中光強(qiáng)度，通過(guò)鎖相放大器放大、調(diào)整和拾取有效測(cè)量信號(hào)，并回饋給光源，光源根據(jù)反饋信息將光波長(zhǎng)調(diào)諧到與2個(gè)腔鏡之間的距離產(chǎn)生共振;光聲檢測(cè)器安裝在氣體室中心處，拾取由吸收光在氣體中產(chǎn)生的聲波，將聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度，調(diào)制光調(diào)制器的旋轉(zhuǎn)速度，領(lǐng)共振頻率與脈沖光截?cái)囝l率相匹配，使壓力變化產(chǎn)生截?cái)囝l率上的聲學(xué)駐波，其信號(hào)強(qiáng)度與待測(cè)六氟化硫氣體濃度存在近似于指數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)單片機(jī)運(yùn)算即可確定六氟化硫氣體濃度。

4結(jié)語(yǔ)

腔增強(qiáng)吸收光譜檢測(cè)技術(shù)是一種新型的吸收光譜技術(shù)，設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量了六氟化硫的吸收光譜，結(jié)果表明，基于腔增強(qiáng)原理開(kāi)發(fā)的光譜檢測(cè)儀器相比與基于直接吸收光譜原理的檢測(cè)儀器，機(jī)械結(jié)構(gòu)同樣簡(jiǎn)單，而在檢出限和靈敏度這2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上，前者分別到了后者無(wú)法比擬達(dá)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(fù)雜光譜設(shè)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(cè)量。

作者：馮文彬 單位：煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司 煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室