針對(duì)測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大、室外環(huán)境溫度變化劇烈等因素,設(shè)計(jì)了寬溫度范圍（-40～60℃）緊湊型全量程激光甲烷探頭.為減小傳感器體積,電路采用層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通過(guò)單片機(jī)STM32F405實(shí)現(xiàn)激光器溫度控制、波長(zhǎng)掃描調(diào)制、數(shù)字鎖相放大及濃度信息實(shí)時(shí)反演.電路系統(tǒng)和測(cè)量氣室封裝在僅Φ35 mm×60 mm的不銹鋼外殼內(nèi),中間有窗片實(shí)現(xiàn)物理隔離,確保本質(zhì)安全.低濃度時(shí)使用波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù),保證探頭測(cè)量精度和測(cè)量下限;高濃度時(shí),使用直接吸收光譜技術(shù),保證量程和線性度.在25℃標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,低濃度（<2%）測(cè)量誤差小于±5.00×10^-4,檢出限為2.24×10^-4,在允許基線校準(zhǔn)或者背景扣除的條件下,測(cè)量下限可以提高到6.026×10^-5;高濃度（2～100%）測(cè)量誤差小于真值的±5%.在-40～60℃環(huán)境溫度下,分別使用1.2%和20%標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行溫度性能測(cè)試,最大相對(duì)測(cè)量誤差為-3.3%和-3.15%,完全滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,可廣泛應(yīng)用于城市綜合管廊、天然氣管道及站場(chǎng)泄露監(jiān)測(cè)、煤礦安全預(yù)警等場(chǎng)合. 

【文章來(lái)源】：光子學(xué)報(bào). 2020,49(10)北大核心EICSCD

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CH4、CO2和H2O在1653.72 nm吸收譜線強(qiáng)度

圖1 CH4、CO2和H2O在1653.72 nm吸收譜線強(qiáng)度吸收譜線強(qiáng)度是溫度的函數(shù)，隨著環(huán)境溫度變化分子吸收強(qiáng)度也會(huì)變化.甲烷分子1 653.72 nm吸收譜線在25℃時(shí)吸收線強(qiáng)為3.155 2×10-21cm/mol，在-40℃時(shí)，吸收強(qiáng)度增大了33.12%;60℃時(shí)則減小了13.51%.圖1(b）吸收線強(qiáng)度隨溫度近似線性變化，可利用這一特性對(duì)傳感探頭進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償，以克服環(huán)境溫度變化引起的測(cè)量誤差[18]，提高激光甲烷探頭在室外高溫和寒冷地區(qū)的適用性.

探頭采用一體化設(shè)計(jì)，如圖2所示，分為上下兩層，上層為電路系統(tǒng)，包括兩層電路板、激光器、光電探測(cè)器等；下層為光機(jī)系統(tǒng)，包括反射鏡和測(cè)量氣室，設(shè)計(jì)有效吸收光程10 cm.所有元件膠封在不銹鋼外殼內(nèi)，使探頭具有抗振動(dòng)和沖擊的能力.激光束穿過(guò)窗片，到達(dá)測(cè)量氣室，幾次反射后聚焦到光電探測(cè)器上，這種光電隔離設(shè)計(jì)避免了易燃易爆的甲烷氣體和電路部分接觸，提高了探頭本身的安全性能.測(cè)量氣室在探頭底部，通過(guò)具有防水透氣的冶金粉末濾網(wǎng)、鋼網(wǎng)與外部連接，可有效防止粉塵、水等進(jìn)入氣室污染鏡片，影響測(cè)量和使用壽命，提高探頭在惡劣環(huán)境中應(yīng)用的魯棒性.電路部分由兩片直徑為3 cm的圓形電路層疊構(gòu)成，上層電路負(fù)責(zé)信號(hào)處理，下層電路負(fù)責(zé)激光器內(nèi)部溫度控制.圖3為該探頭電路部分結(jié)構(gòu)功能示意圖，為減少溫控電路開(kāi)關(guān)噪聲對(duì)信號(hào)的影響，設(shè)計(jì)了三通道獨(dú)立直流電源.溫度控制電路功耗大，采用輸入電源濾波后直接供電；激光器驅(qū)動(dòng)和信號(hào)處理部分電路對(duì)噪聲比較敏感，分別使用CH1、CH2兩路直流穩(wěn)壓電路供電，進(jìn)一步穩(wěn)壓和濾波，以減小電源紋波.除此之外，激光器驅(qū)動(dòng)電路電源通過(guò)單片機(jī)使能控制，便于激光器上電保護(hù)電路設(shè)計(jì)；溫控部分也通過(guò)單片機(jī)使能控制，有利于減小探頭上電沖擊.激光器在單片機(jī)控制下穩(wěn)定地輸出固定中心波長(zhǎng)的激光束，激光透過(guò)吸收池由光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)前置放大和一級(jí)濾波后，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字量化，軟件實(shí)現(xiàn)帶通濾波、數(shù)字放大、數(shù)字鎖相放大、諧波信號(hào)提取、正弦幅值提取，然后依據(jù)諧波信號(hào)或者直接吸收信號(hào)進(jìn)行濃度實(shí)時(shí)反演，同時(shí)結(jié)合吸收池內(nèi)溫度壓力傳感器測(cè)到的數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償處理.由式（5）可知，光路偏折、窗口污染、水汽凝結(jié)、激光器出光功率波動(dòng)、探測(cè)器響應(yīng)度變化等引起的光強(qiáng)波動(dòng)均會(huì)影響諧波信號(hào)的幅值，采用無(wú)吸收區(qū)域正弦幅值消除光強(qiáng)變化對(duì)測(cè)量的影響[18].

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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