腔增强原理的光学检测技术范文

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1总体方案

煤矿示踪气体光学检测仪器总体方案图如图1，光源产生的红外光束经光调制器后变成脉冲式光束，脉冲光束穿过充满待测气体的光增强腔，光声检测器用于测量光学腔内光脉冲强度，反馈环节用于放大调整光源。由于增强腔镜的距离与光波长产生共振，引起光增强腔内压力变化，产生声学驻波，信号处理环节拾取声学驻波强度，将声波转换为电信号，其信号强度与待测六氟化硫气体浓度存在近似于指数的对应关系，通过单片机运算即可确定六氟化硫气体浓度。

2实现方法

1)光源。根据红外段六氟化硫气体的吸收特性和高精度迁移分子吸收数据库，六氟化硫在500～1600cm－1段都有较明显的吸收谱线图，中红外可调谐激光光源在性能上比较理想，但价格昂贵，难以推广应用，综合考虑煤矿井下干扰气体种类、成本和发光效率等因素，选用的是中心波长为1000cm－1的碳化硅黑体光源，联合中心波长为1000cm－1，狭缝宽度为±200cm－1的滤光片，配合红外相关气体滤波室，即可以得到纯净、稳定适用、成本适中的红外光源［4］。2)光调制器。检测速度是仪器效能评估的关键指标之一，常规光学检测仪器的光调制器通过周期性的阻塞连续光产生脉冲光，在2个脉冲之间，调制光的光强度是0，反馈信号中断导致腔锁定机制慢，仪器检测速度很低，难以满足煤矿用户实际需求，因此截断器如何有效的间断地开启反馈信号是提升仪器检测速度的关键［5］。为此，采用使光强度不降到0的方案，使调制光的强度在较高与较低之间进行切换，在光强度较低时间段，光强度略大于0，确保反馈信号不中断，从而缩短反馈回路的响应时间。

截断器结构图如图2，截断器用于将连续光束调制为非零脉冲光束，其主体结构设计为旋转圆盘，由透射系数略高于0的低透射部分和透射系数大致等于l的高透射部分组成［6］。截断器以恒定角速度旋转，在低透射部分上时，阻塞了光的大部分，通过截断器后的光强度较低，只会激发气体中的极少部分气体分子，但为检测器反馈信号已经足够了，在高透射部分上时，通过截断器之后的光强度较高，会激发了气体中的许多分子，导致热能增加，引起气体室中压力局部上升，为光声检测器提供检测信号。3)光声检测器。红外光检测器设计受成本、尺寸、封装形式等因素制约，以MEMS技术为基础的红外线检测技术通过芯片级的封装工艺，实现了器件的高精度、低成本和小型化，为阐述的技术提供了器件支撑，通过优化增强腔数学解析模型，得到光声信号与气体浓度、温度和腔结构参数的关系［7］，结合MEMS技术，研制了光声基于光声检测原理的配套检测器。4)反馈环节。反馈环节由分光器、偏振检测器和反馈回路等组成，用于测量输出镜输出的光强度，通过反馈回路修正光频率，使光波长与增强腔的谐振频率基本一致，难点在光检测器中用于微弱信号处理的锁相放大器设计，锁相放大器利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现信号处理，能够在较强的噪声中提取有效信号，在微弱信号检测方面优势明显。设计的锁相放大器的基本结构包括信号通道、参考通道、相敏检测器和低通滤波器等，锁相放大器的基本结构图如图3，信号通道对调制正弦信号输入进行放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作，并滤除部分干扰;参考通道对参考输入信号进行调整，以适应相敏检测器对信号幅度的要求，并对参考输入信号进行移相处理，以使检测结果达到最佳［8］。

3整机集成

煤矿示踪气体光学检测仪器整机结构示意图如图4，仪器信号采样及控制单元主体结构原理图如图5，仪器电源原理图如图6。光源用于产生中心波长为1000cm－1左右的可调制红外光;光调制器用于周期性地中断光源发出的光束，将连续的红外光调制在特定“截断”频率上的一系列脉冲光;在包含半透明镜的光学腔内，气体室允许气体通过气体入口和气体出口流动穿过，并在输入镜之前设置光隔离器，以减小从光源到腔镜反射，脉冲光通过输入镜，进入到光学腔，在腔镜间穿过待测气体多次反射，六氟化硫气体分子周期性吸收红外光吸收红外光能量，将气体分子激发到更高能级，导致气体分子热能增加，气体室内压力上升，其后在下一个脉冲到达前减小压力;反馈回路通过偏振检测器测量光学腔中光强度，通过锁相放大器放大、调整和拾取有效测量信号，并回馈给光源，光源根据反馈信息将光波长调谐到与2个腔镜之间的距离产生共振;光声检测器安装在气体室中心处，拾取由吸收光在气体中产生的声波，将声波转换为电信号，根据信号强度，调制光调制器的旋转速度，领共振频率与脉冲光截断频率相匹配，使压力变化产生截断频率上的声学驻波，其信号强度与待测六氟化硫气体浓度存在近似于指数的对应关系，通过单片机运算即可确定六氟化硫气体浓度。

4结语

腔增强吸收光谱检测技术是一种新型的吸收光谱技术，设计的测量系统，测量了六氟化硫的吸收光谱，结果表明，基于腔增强原理开发的光谱检测仪器相比与基于直接吸收光谱原理的检测仪器，机械结构同样简单，而在检出限和灵敏度这2个关键技术指标上，前者分别到了后者无法比拟达的6×10－9和灵敏度1×10－9，接近了傅里叶光谱分析仪等大型复杂光谱设备的水平，可以用于六氟化硫等微量气体吸收光谱方面的测量。

作者：冯文彬 单位：煤科集团沈阳研究院有限公司 煤矿安全技术国家重点实验室