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煤矿瓦斯光纤传感检测仪的研制
武汉理工大学 硕士学位论文 煤矿瓦斯光纤传感检测仪的研制 姓名：赵磊 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术与仪器 指导教师：王洪海
武汉理工大学硕士学位论文摘要瓦斯是发生在煤矿中重大自然灾害的根源之一，瓦斯爆炸严重威胁到煤矿 作业人员的生命安全，影响煤矿的正常生产。实时准确地监测煤矿瓦斯气体浓 度对保障安全生产具有十分重要的意义。本文基于气体光谱吸收原理，研究开发光纤气体传感检测仪，进行工业化 实验，以达到光纤气体传感器在工业现场应用的目的。本文重点对甲烷气体的 检测进行了研究，并研制出煤矿瓦斯光纤传感检测仪，实现了对煤矿井下采掘工作面、回风巷道、机电峒室等环境中瓦斯浓度的连续测定，显示瓦斯瞬时浓 度，输出与被测瓦斯含量成正比的频率量，实现瓦斯浓度超限报警等功能。本 文还对系统电路进行了本质安全设计和校验，使之能够用于危险的矿井现场， 在煤矿安全监控系统中，与各种煤矿安全监测系统配套使用，实现了光纤气体 传感器的实用化。 本文的主要工作主要包括以下几个方面： １）研究了可调谐半导体激光吸收光谱技术（ＴＤＬＡＳ）Ｉ作原理，采用波长调制 技术和谐波检测技术提高检测灵敏度，并在确定了气体吸收峰的基础上， 选择１６６５ｎｍＤＦＢ ＬＤ作为光源。２）在理论分析的基础上，本文进行了光路和电路的设计。在电路设计上采用 四象限四通道模拟乘法器ＭＴＬ０４组成的锁相放大电路来提取微弱信号，消 除了因光纤传输延时和电路自身延时所产生的待测信号和参考信号相位差 的影响，并直接由硬件获得二次谐波幅值信息。 ３）针对煤矿恶劣工作环境，对传感器壳体和气室的结构进行了专门的设计， 在关键部分采取了防水防尘措施。根据国家标准ＧＢ３８３６．４．２０００相关要求，对系统电路进行了本质安全设计与校验，并设计了红外遥控、数码管显示和声光报警电路。４）对系统进行机械可靠性实验、温度稳定性实验和检测性能实验，使之能够 很好地应用于矿井现场实时测量。 ５）进行了煤矿井下试用试验，包括：系统对矿井恶劣环境的适应性试验、与煤矿现有安全监测系统的兼容性试验和长期稳定性试验等。关键词：光纤气体传感器，光谱吸收，可调谐半导体激光技术，本安特性武汉理工大学硕七学位论文ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅ ｇａｓ ｉＳｏｎｅｏｆ ｔｈｅｓｏｕｒｃｅｓｗｈｉｃｈａｒｅｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｎａｔｕｒａｌ ｄｉｓａｓｔｅｒ ｍ ｔｈｅ ｃｏａｌｍｉｎｅ．Ｆｉｒｅ ｄａｍｐ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｅｒａｌ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｔｈｒｅａｔｅｎｓ ｔｏ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｗｏｒｋｅｒｓ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ．Ｉｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｔｈａｎｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｒｅａｌ?ｔｉｍｅ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｓ ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｇａｓ ｓｐｅｃｔｒａｌ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ，ｄｅｖｅｌｏｐ ｔｈｅｓｕｒｅｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｇａｓ ｓｙｓｔｅｍＣａｌｌｓｅｎｓｏｒ，ｔａｋｅｓｏｍｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｏ ｍａｋｅｏｎｔｈａｔ ｔｈｅｂｅａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｆｉｅｌｄ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｗｅ ｆｏｃｕｓｓｅｎｓｏｒｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｎ４，ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｇａｓｆｕｎｃｔｉｏｎ ｔｈａｔ ｉｔｃａｌｌｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙｄｅｔｅｃｔｓ ｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎＳＯｍｅｔｈａｎｅ ｉｎｔｈｅｃａｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｅｘｃａｖａｔｉｎｇ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ，丽Ｉｌｄ ｌａｎｅｗａｙ ａｎｄｄｉｓｐｌａｙ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｎｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｏｕｔｐｕｔ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄｏｎ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｉｔｓｉｇｎａｌｗｈｉｃｈ ｉｓ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｔｏＳＯ ｏｎ．ｍｅｔｈａｎｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ａｌａｒｍｅｓｓｅｎｃｅａｔｔｈｅ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｏｆ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄＯｕｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｓａｆｅｔｙ ｉｎａｎｄ ｗｅ ｔａｋｅ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｉｔ，ｍａｋｅ ｓｕｒｅ ｔｈａｔ ｉｔＣａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍａｎｙｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｗｈｉｃｈａｌｅｄａｎｇｅｒｏｕｓ ｃｏａｌ ｍｉｎｅｓ．Ｉｎ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｓａｆｅｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｓｅｎｓｏｒＣａｎｂｅ ｕｓｅｄ ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｓａｆｅｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ，ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ．Ｔｈｅｍａｉｎ ｗｏｒｋ ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎｃｌｕｄｅ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ： ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｅｒｅ ｄｏｎｅｏｎ１）Ｓｏｍｅｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｕｎａｂｌｅ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃｏｎａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＴＤＬＡＳ），ｕｓｅ ｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ａｎｄ ｂａｓｅｄｔｈｅ ｇａｓａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐｅａｌ（ｔｈａｔ ｉｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ，ｔｈｅ ＤＦＢ ＬＤ ｗｈｉｃｈ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｉｓ １ ６６５ｎｍ ｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ＳＯｕｒＣｅ．２）Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｐａｔｈ ａｎｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｅｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｆｅｅｂｌｅ ｓｉｇｎａｌ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙＦｏｕｒ－Ｃｈａｎｎｅｌ，Ｆｏｕｒ－Ｑｕａｄｒａｎｔ Ａｎａｌｏｇ ＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒＭＬＴ０４，ａｎｄ ｔｈｅｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ ａｍｐｌｉｆｙ ｃｉｒｃｕｉｔ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈａｓｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｄｅｌａｙ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌｓｉｇｎａｌｗｈｉｃｈｃａｕｓｅｓｂｙ ｔｈｅｆｉｂｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔｉｔｓｅｌｆ，ａｎｄｇｅｔ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄｈａｒｍｏｎｉｃ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｉｒｅｃｔｌｙ．ＩＩ武汉理工大学硕士学位论文动Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｐｏｏｒ ｗｏｒｋｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｆｏｒ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ．ｔｈｅ ｓｔｍｃｎＩｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｅｌｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｇａｓ ｃｈａｍｂｅｒ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｓｐｅｃｉａｌｌｙ，ａｎｄ ｔａｋｅ ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆｓｅｎｓｏｒ’Ｓａｎｄｄｕｓｔｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｆｏｒ ｓｏｍｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔｓ；ｉｎ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｌｌ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｎａｔｉｏｎａｌ ｓｔａｎｄａｒｄ ＧＢ３８３６．４―２０００，ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｓａｆｅｔｙ ｉｎｅｓｓｅｎｃｅ，ａｎｄａｌｓｏ ｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｄｅ ｔｕｂｅ ｄｉｓｐｌａｙ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｓｏｕｎｄ ａｎｄｌｉｇｈｔ ａｌａｒｍ ｃｉｒｃｕｉｔａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ．ｔｏ ｔｈｅ◇Ｓｏｍｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｄｏｎｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．ｓｕｃｈ嬲ｍｅｃｈａｎｉｃａｌＳＯｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄｏｎ．Ｓｏ ｍａｋｅ ｉｔ ｓｕｒｅ ｔｈａｔ ｉｔＣａｎ ｂｅ ￥ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｈａｄｕｓｅ．Ｓｏｍｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｂｅｅｎｄｏｎｅｉｎａｃｏａｌｍｉｎｅ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｏｕｒｏｆ ｏｕｒ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｔｈｅ ｍｉｎｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｓａｆｅｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅｌｏｎｇ―ｔｅｒｍｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｏｕｒ ｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒｓ，Ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ，Ｔｕｎａｂｌｅ Ｄｉｏｄｅ ＬａｓｅｒＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｓａｆｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＩＩＩ独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特另ＪＪＤｎ以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生（签名）：：起缸日期哩：笪：』学位论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。，（保密的论文在解密后遵守此规定）研究生（签名）：益丕，导师签名：日期：！五￡：／武汉理工大学硕士学位论文第１章绪１．１引言论我国是世界煤炭生产和消费大国，煤炭在今后相当长的时期内仍将是主要 能源。近年来，重大、特大瓦斯事故在煤矿生产事故中所占比例越来越高【Ｉｌ。避 免瓦斯爆炸事故的一个重要措施就是要做好瓦斯的检测工作，提前掌握煤矿瓦 斯的变化情况，一旦出现异常，及时采取相应措施，保障煤矿的安全生产。 瓦斯是煤矿开采的伴生物，矿井瓦斯是对煤矿井下各种有害气体的总称， 其主要成分是甲烷（ＣＨ４）。二氧化碳（Ｃ０２），一氧化碳（ＣＯ）等。在这些有毒 有害气体中，甲烷的含量占了８０％以上，所以人们习惯上将甲烷称为瓦斯。瓦 斯是一种无色、无味、无臭的气体。瓦斯在空气中浓度增大时，能使空气中的 氧气含量相对降低，而使人窒息，当空气中的瓦斯含量达到４０％以上时，能使 人立刻死亡【２Ｊ。新鲜空气中，瓦斯浓度达到５％～１６％时，就达到爆炸浓度，也 称爆炸极限。 发生瓦斯事故的原因是多方面的。除了加强监管、严格治理，对矿井内瓦 斯的长期可靠性检测监控，可以起到非常重要的防护作用，也是防止瓦斯事故 的一个重要方面【３，４ｌ。因此，研究开发响应迅速、长期稳定可靠的煤矿瓦斯气体 检测仪表，对保证煤矿工业安全生产，减小事故发生和生命财产损失有重要意 义。１．２煤矿瓦斯检测技术概述由于煤矿瓦斯的主要成分为甲烷，因此对煤矿瓦斯的检测可以转化为对甲烷的检测。一个完整的煤矿甲烷气体检测仪表同普通气体检测仪表一样，一般由四个基本部分组成：气体传感器，即能感知环境中某种气体及其浓度的装置 或器件，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换为电信号；处理器及显示器， 根据测量信号，运用～定的算法计算出待测气体浓度并显示出来；报警器，当 检测气体浓度超出设定报警阈值时，就给出报警信号；标准模拟输出信号，一武汉理工大学硕士学位论文般采用２００～１０００Ｈｚ频率信号或者４～２０ｍＡ电流信号【５１，标准输出信号需要与被测气体浓度成线性关系。其技术参数还有存储数据功能、传输数据功能、使用寿命与可靠性、低功耗等。 ?气体传感器是气体检测仪表的关键部分，就其原理可以分为四大类：电学类气体传感器、光学类气体传感器、电化学类气体传感器、高分子材料类气体传感器【６Ｊ。利用材料的电学参量随气体浓度的变化而改变的特性制作的气体传感 器为电学类气体传感器。这类传感器又可分为电阻式和非电阻式两大类，其中电阻式气体传感器主要有接触燃烧式、热导式和半导体式等，而非电阻式气体传感器则通常是利用材料的电流或电压随气体含量变化的特点而制成的传感 器，主要包括ＭＯＳ二极管式、结型二极管式等。利用气体的光学特性来检测气体成分的浓度的传感器为光学类气体传感器，根据具体的光学原理可分为红外吸收式、可见光吸收光度式、光干涉式、化学发光式等气体传感器。电化学类 气体传感器是利用电化学性质的气体传感器，该类气体传感器包括：定电位电 解式、固体电解质等种类的气体传感器。高分子气敏材料气体传感器主要有高 分子电阻式、高分子电介质式、浓差电池式等［７，８，９１。 目前应用于煤矿井下甲烷气体的检测方式主要有载体催化燃烧式、热导式、 光干涉式、红外吸收式【ｌｏ】等。 （１）催化燃烧原理的甲烷检测仪 催化（接触）燃烧式气体传感器就是利用可燃性气体在气敏材料表面燃烧，放出一定的热量，从而引起气敏元件的电导（阻）率发生变化（变化值是可燃性气体浓度的函数），以达到检测可燃性气体的目的。其结构式在铂丝线圈上包以氧化 铝和粘合剂，经烧结而形成球状，外表涂覆铂、钯等稀有金属的催化层。工作 时加热至３００＂－＇４０００Ｃ，当环境中有可燃性气体时，气体就会在稀有金属催化层 上燃烧，从而引起铂丝线圈温度上升、阻值增大，通过测量这一电阻的变化可 测定环境中可燃气体的浓度。其主要特点是不受环境温度影响，稳定性高，且接触燃烧式气体传感器电阻的变化与气体浓度成线性关系，使电路设计变得简 单。应用这种方法能对处于爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测和报警。 其缺点是寿命短，通常只有１～２年，而且元件表面的催化剂接触到一些非可燃 性气体时会产生反应从而容易发生催化剂中毒【１１，１２，１３】。（２）热导原理的甲烷检测仪热导原理的检测仪器是利用所测气体与空气的热导率之差来实现对气体浓２武汉理工大学硕士学位论文度检测的。热导式气体检测仪将待测气体送入气室，气室中有热敏元件，如铂 丝或钨丝，对热敏元件加热到一定温度，当待测气体的导热系数较高时，热量更容易从热敏元件上散发，使其阻值减小，通过惠更斯电桥测量这一阻值变化 可得到被测气体浓度值。这种检测原理的优点是热敏元件工作温度低ｆ低于 ２０００Ｃ），工作电压也不高，所以极易制成矿用本质安全型，而且热敏元件为半永久性元件，使用寿命长。其缺点是检测低浓度甲烷时输出信号小，且易受水蒸气（湿度）和二氧化碳等气体的影响。（３）光干涉原理的甲烷检测仪光干涉原理的甲烷检测仪是利用光波在空气和瓦斯中的传播速度不同，产 生的光程差引起干涉条纹的移动来测量甲烷浓度的。一束入射光经过适当的光 学系统后被分解为两束相干光，一路通过被测气体气室，另一路通过参考气室， 由于满足相干条件，两者相遇就会产生干涉条纹。光干涉检测仪在使用前，需 要“调零＂，参考气室和采样气室均充满新鲜空气，此时干涉条纹的位置作为零 点；测量时，气样室吸入被测气体，光路中引入附加光程差，条纹发生移动，移 动量正比于甲烷浓度，从而确定甲烷浓度【１４，ｌ引。其缺点是浓度指标不直观，受气 压、温度、湿度影响，特别是当空气中的氧气不足和氮氧比例异常时，测量将 出现误差。 （４）红外光谱吸收原理的甲烷检测仪 不同气体对红外光有着不同的吸收光谱，一些气体的特征光谱吸收强度和 气体的浓度有关，利用这一原理可以测量瓦斯气体浓度【１６，１７，１８，１９，２０１。利用气体在 石英光纤透射窗口内的吸收峰，测量由于气体吸收产生的光强衰减，反演出气 体的浓度。目前最常用的检测方法为谐波检测法。其主要原理：将窄带光源波 长对准待测气体某一吸收峰，用正弦信号对激光波长进行调制，调制后的激光 通过待测气体，由于气体的吸收效应，波长调制转换为强度调制，当激光中心波长对准气体吸收峰的中心处，输出光包含有调制频率的二次谐波信号，而且 信号幅度正比于气体的浓度。通过提取二次谐波，来实现气体浓度的测量。与 差分吸收法相比，谐波检测法具有更高的分辨率。采用锁相放大技术，可以实现二次谐波信号的提取，从而实现气体浓度的高灵敏度测量。 以上四种瓦斯气体浓度测量方法各有优缺点。目前载体催化检测仪在煤矿开采中使用广泛，但其本身也有不少问题，如检测精度不高、响应速度慢、高 浓度易中毒、需要经常标定和调较、寿命短等。红外光谱吸收法表现出更多的武汉理工大学硕士学位论文优点，如本质安全、抗干扰能力强、灵敏度高、响应速度快、寿命长掣２１，２２，２３，２４，２５］。因此研制出一种基于红外光谱吸收原理的煤矿瓦斯光纤传感检测仪对于提高我国煤矿安全监测水平，防止煤矿瓦斯事故发生，保障我国煤炭事业的可持续性发展有着重要的现实意义。１．３煤矿瓦斯传感技术的研究现状到目前为止广泛应用于煤矿瓦斯监测的传感器基本上全部是黑白催化元件 和热导元件。黑白元件的量程在４％以下，每隔两周必须标定一次；热导元件误 差比较大；催化元件和热导元件组成的混合型传感器尽管可以实现大量程，但 是对瓦斯的突出响应不够迅速。 对于监测易燃易爆的瓦斯气体来说，基于气体吸收谱测量的吸收型传感技 术具有相当高的测量灵敏度，极高的气体鉴别能力，快速的响应能力，对温度、 湿度等干扰的强抵抗力，简单可靠的气体传感探头（气体吸收盒）以及易于形 成网络等优点。因而是目前最有前途的一种气体传感技术【２６１。 国外发达国家对吸收式光纤气体传感技术的研究起步较早【２７’２引。最早用光谱 吸收式光纤传感技术进行气体浓度测试研究的是日本Ｔｏｈｏｋｕ大学的Ｈ．Ｉｎａｂａ和 Ｋ．Ｃｈａｎ等人，在光纤透射窗口波段范围内，作了一些气体传感的基本研究。１９７９ 年，他们提出利用长距离光纤进行大气污染检测。１９８１年，他们又报道了光纤 二氧化氮气体的检测实验。利用二氧化氮在４００ｎｍ和８００ｎｍ处的较宽吸收峰，用 ＬＥＤ作光源进行二氧化氮的直接吸收测量。与此同时，他们还进行了光纤化的甲烷气体浓度测量实验研究。１９８３年，他们用ＬＥＤ作为宽带光源，配合窄带干涉滤光片，对甲烷在１３３１．２ｎｍ附近的Ｑ线进行检测，在这一系统中的气室长度为０．５ｍ，传输光纤为１０ｋｍ长的多模光纤，接受元件采用干冰和甲醇混合制冷的锗探测器，系统最小可探测灵敏度为２５％ＬＥＬ（气体爆炸下限）。其后，１９８５年，Ｈ．Ｉｎａｂａ和Ｋ．Ｃｈａｎ及Ｈ．Ｉｔｏ等人又用ＩｎＧａＡｓ材料ＬＥＤ作为光源去对准甲烷在１６６５．４ｎｍ处的谐 波吸收峰，采用同样的系统，由于在１６６５．４ｎｍ处的谐波吸收峰吸收强度较１３３１．２ｒｉｍ处大一倍，因此系统最小探测灵敏度提高了一倍。另外，该研究所也对一些可燃易爆的有机分子气体如Ｃ，日。、Ｃ：皿、Ｃ：日。和Ｃ４日。。的光纤远程测量进行了实验。１９８７年，Ｊ．Ｐ．Ｄａｋｉｎ和Ｃ．Ａ．Ｗａｄｅ等人报道了一种利用梳妆滤波器和宽带光源４武汉理工大学硕士学位论文（ＬＥＤ）测量甲烷气体浓度的方法。这种方法适合于甲烷和乙炔等梳妆吸收峰的气体。 八十年代末到九十年代初，一系列传感用的分布反馈式（ＤＦＢ）激光器己研 制出来，光纤气体传感精度又有了提高。１９８８年，Ａ．Ｍｏｈｅｂａｔｉ和Ｔ．Ａ．Ｋｉｎｇ用１．３３／ａｍ的ＩｎＧａＡｓＰ多模激光器测量甲烷气体浓度，采用波长差分吸收法，室温下可以测量最小灵敏度可达１０００ｐｐｍ／ｍ。１９９０年，Ｈ．Ｔａｉ和Ｋ．Ｙａｍａｍｏｔｏ等利用１．６６／ａｎ单模 分布反馈式（ＤＦＢ ＬＤ）半导体激光器，采用了波长（频率）调制的谐波检测方 法，室温下检测甲烷气体浓度，最小可探测灵敏度可达２０ｐｐｍ。这一系统将可调 谐半导体激光光源（ＤＦＢ ＬＤ），波长调制谐波检测和光纤技术结合起来，获得 了很高的探测灵敏度。 国外对基于光谱吸收式光纤气体传感方面进行了大量研究，形成了比较有 效的方法，但由于成本和工艺等问题，形成光纤气体测量仪器方面的报道很少。 我国吸收型光纤气体传感方面的研究起步较晚，始于８０年代末，国内吸收 式光纤气体传感器的研究主要还是以ＬＥＤ作光源。 １９８９年西安光机所等在应用光学杂志上介绍了差分光谱光纤气体传传感器的基本原理，列举了一些具体应用实例。１９９７年山东矿业学院的曹茂永等对吸收光谱式光纤瓦斯传感器的参数设计进行了探讨，提出根据传感器的技术指标 确定其基本参数的方法。２０００年浙江大学叶险峰博士用１．３／ｔｎＬＥＤ作光源，配合闪耀光栅对甲烷气体进行了检测实验【２９１。２００１年，吉林大学的王一丁等基于 朗伯一比尔吸收定律，设计了具有新型光路和电路结构的便携式红外Ｃ日。气体检测仪１３０］。近５年来，武汉理工大学光纤传感技术研究中心也一直致力于矿井瓦斯和一氧化碳光纤传感检测仪的研究和开发工作，在红外光谱吸收光纤气体传感器的关键技术上有了重大突破，开发出了四通道光纤瓦斯传感检测仪，为本文进一步研发适用于煤矿井下的瓦斯传感报警仪打下了良好的基础。１．４课题的目的、意义及主要研究内容我国煤矿安全事故中，瓦斯爆炸造成的伤亡占所有重大事故伤亡人数的５０％以上。实时监测瓦斯气体含量、防止其爆炸意义重大。为了防止与控制事故的发生，最大限度地减少人员伤亡事故，必须设鼍能在线实时快速检测甲烷气体武汉理工大学硕士学位论文浓度的仪器和设备【３１翊。早在十多年前有关管理部门和专家就提出急需解决这方面的技术问题的建议和要求。因此，该课题的研究和开发符合国民经济发展的需要，监测甲烷状态的光纤传感器及其系统的研制与开发有重大的现实意义和广阔的市场前景。 一直以来，我国都采用热催化元件来对瓦斯浓度进行检测，其检测精度不 高，易老化且易发生致命错误等缺点在应用过程中逐渐显露出来，因此，迫切需要一个新的方法来解决这个问题。本文提出的将光纤传感技术和现代微弱信号检测技术及计算机处理技术相 结合的光纤气体监测系统，具有本质安全、抗干扰能力强、灵敏度高、响应速 度快、寿命长等优点，不仅仅可以用于矿井易燃易爆气体的监测，还可以实时 在线监测工业环境危险气体的泄露，同时也可以用于大气污染监测，因此本系 统在多种气体测量领域有着广阔的应用前景。本研究为我国气体浓度的快速准 确测量提供了新思路，具有重要的现实意义和应用市场。 本文基于气体光谱吸收原理，研究开发光纤气体传感检测仪，进行工业化 实验，以达到光纤气体传感器在工业现场应用的目的。 主要研究内容有以下几个方面：１）研究了可调谐半导体激光吸收光谱技术工作原理，采用波长调制技术和谐波检测技术提高检测灵敏度，并在确定了气体吸收峰的基础上，选择１６６５ｎｍＤＦＢＬＤ作为光源。２）在理论分析的基础上，本文进行了光路和电路的设计。在电路设计上采用四 象限四通道模拟乘法器ＭＴＬ０４组成的锁相放大电路来提取微弱信号，消除了因光纤传输延时和电路自身延时所产生的待测信号和参考信号相位差，并 直接由硬件获得二次谐波幅值信息。 ３）针对煤矿恶劣工作环境，对传感器壳体和气室的结构进行了专门的设计，在关键部分采取了防水防尘措施。根据国家标准ＧＢ３８３６．４－２０００相关要求，对 系统电路进行了本质安全设计，并设计了红外遥控、数码管显示和声光报警 电路。４）对系统进行机械可靠性实验、温度稳定性实验和检测性能实验，使之能够很 好的应用于矿井现场实时测量。 ５）进行了煤矿井下试用试验，包括：系统对矿井恶劣环境的适应性试验、与煤 矿现有安全监测系统的兼容性试验和长期稳定性试验等。６武汉理工大学硕士学位论文第２章红外光谱吸收型光纤气体传感器的原理２．１气体光谱吸收基本原理从本质上说，所有与气体物理或化学特性相关的光学现象或特性，都可以直 接或间接地用于光纤气体浓度测量。光谱吸收型的气体传感是最重要的一类光 纤气体传感器。它是利用了气体在石英光纤透射窗口内的吸收峰，测量由于气体 吸收产生的光强衰减，可以得到气体的浓度。通过标定吸收峰的位置，可进一步 对气体的种类进行识别。常见的气体（重Ｄｃｏ、ＣＨ４、Ｃ２Ｉ－１２、Ｎ０２、Ｃ０２）的标准特征吸收谱线一般是出现在中红外区（２ｐｍ，－一１０岬）的振动谱。这个波段远远超 出了石英光纤的透射窗口（１岬～１．７９ｍ），因此在光谱吸收型光纤气体传感中，一般是利用了气体在石英光纤透射窗口内的泛频谐波谱。尽管这类泛频谐波谱的吸收远小于标准特征谱的吸收，但是由于光纤对这些波长的衰减极低，探测系统 的灵敏度又相当高，所以也可以得到很好的检测结果【３ ３。。 表２－１显示了一些重要的气体在近红外波段（石英光纤的透射窗口）的吸收 谱线波长【３够５１。可以看出，大部分的气体都可以用这种方法测量。 表２．１一些气体在近红外波段的特征吸收峰波长 气体种类 气体吸收峰波长（近红外波段）０．７６１∥啦 １．５７３，ｕｒｎ １．６６５∥啪 １．３６５ｐｍ ０．８０Ｉｎｎ １．５６７ｐｍ １．５３０ｐｒｏ １．５７８／ｇｎ １．５４４ｐ聊可能的污染来源氧气ｑ 二氧化碳ｃｑ甲烷ＣＨ。 水蒸气Ｈ：Ｏ 二氧化氮Ｎ０２ 一氧化碳Ｃ移 乙炔Ｃ２Ｈ２ 硫化氢Ｈ２Ｓ发动机废气，发电厂废气煤矿煤层气体工业废气 发动机废气，发电厂废气发动机废气，可燃易爆气体工业废气 工业废气氨气Ｎｉｌ３７武汉理工大学硕士学位论文当一束光强为而的输入平行光通过待测气体时，如果光源光谱覆盖一个或 多个气体的吸收谱线，则光通过气体时发生衰减。根据比尔一朗伯特（Ｂｅｅｒ― Ｌａｍｂｅｒｔ）定律，出射光强，与入射光强而和气体的体积分数之间的关系为式（２．１） 卢／ｏｅｘｐ【?ｎ（功ＣＬ】 （２－１）式中，仅（ｖ）为气体吸收系数，即气体在一定频率’，处的吸收线型；Ｌ为吸收路径的长度；Ｃ为气体的浓度。因此，通过测量出射光强，便可计算出待测气体的浓度。然而，通常来讲， 气体对光的吸收十分微弱，特别是在近红外区。本系统采用对光源进行调制的方法，提高检测灵敏度。２．２可调谐半导体激光吸收光谱技术（ＴＤＬＡＳ）ＴＤＬＡＳ（ＴｕｎａｂｌｅＤｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ ＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）是可调谐二极管激光吸收光谱技术的简称，由于该二极管采用半导体材料制成，通常又称为可调谐半导体激光吸收光谱技术。一图２．１ ＴＤＬＡＳ系统基本原理图ＴＤＬＡＳ系统基本原理图如图２．１所示。ＴＤＬＡＳ技术测量气体的体积分数通 常使用波长调制方法【３６１。波长调制时将叠加了高频正弦信号的锯齿波加到激光 电流上，光电探测器输出的信号进入锁相放大器，被正弦信号的倍频信号解调 就得到与被测气体体积分数相关的谐波信号。８武汉理工大学硕士学位论文２．２．１单线光谱原理与传统红外光谱技术相同，ＴＤＬＡＳ技术本质上没有差别，也是一种吸收光 谱技术，也是通过分析光被气体的选择吸收来测得气体浓度。但与传统红外光 谱技术不同的是，它采用的半导体激光光源的光谱线宽远小于传统红外光源的 光谱线宽和气体吸收谱线的展宽。应用较广的分布反馈式半导体激光源的线宽 典型值为６０ＭＨＺ，而传统红外光源线宽则有数百ＧＨＺ。激光线宽远小于被测气体单吸收谱线宽度，其频率调制扫描范围也仅包含被测气体单吸收谱线，因此避免Ｈ２０和Ｃ０２等气体的交叉干扰，如图２．２所示。因此，ＴＤＬＡＳ技术是一种 高分辨率吸收光谱技术【３６Ｊ。 半导体激光的光频率具有可调谐性，一是通过改变半导体激光器的工作温 度，另一种是通过改变激光器的工作电流。第二种方法可获得较快的频率调谐 速度。因此采用给半导体激光器注入一定频率的锯齿波电流使激光器频率扫描 过整条吸收谱线来获得完整的高分辨率“单线吸收光谱数据”。利用ＴＤＬＡＳ技 术测量某种气体的基本过程是：首先选定响应发射频率范围的激光二极管，设 置适宜的温度值以确定激光中心频率，通过注入低频率的锯齿波电流使激光频 率扫描过整条吸收谱线，从而获得“单线吸收光谱＂数据。吸收光谱的“单线＂ 特性可以避免背景气体组分对被测气体的交叉吸收干扰，保证测量的准确性。图２．２“单线光谱＂测量技术原理９武汉理工大学硕士学位论文２．２．２波长调制技术和谐波检测技术为使ＴＤＬＡＳ这种新技术的检测灵敏度能够达到ｐｐｍ等级，采用波长调制 技术及谐波检测技术。 由于光谱吸收非常微弱，一般采用波长调制技术向激光二极管注入正弦波电流进行调制。波长调制技术能够通过选择调制频率来抑制噪声带宽，有效地减少光源和探测器自身带来的噪音，可以提高信噪比几个数量级。 谐波检测技术（即锁相放大技术）则能得到与被测气体浓度成正比的谐波 信号，将检测频率移到噪声较低的高频处，这样可以有效地抑制外部干扰和低频噪声，从而可以实现较高的检测灵敏度例。谐波检测技术广泛应用于微弱信号检测。 波长调制光谱技术采用高频正弦波调制激光器工作电流，其光源频率和输 出光强也受到相应的调制，具体如下所示： ’，＝１＇ｏ＋％／（ｆ） （２?２） （２－３）厶’（ｔ）＝Ｉｏ［１＋ｔｌｆ（ｔ）】其啾ｔ）为正弦函数，ｆ（ｔ）＝ｓｉｎｗｔ，ｗ＝２ｎｆ，伪电流调制频率。ｖＤ为光源未经调制时的中心频率；Ｖｍ为频率调制幅度；，７为光强调制系数，将式（２－２）、（２－３）代入（２．１）， 则川）：１０［１＋ｒ／ｆ（矿口【ｖｏ＋‰邝’ｍ也很小，即ｒｌ＜＜１，这样就可以运用近似公式 ｅｘｐ［一ａ（ｖ）ＣＬ】＝ｌ－－ａ（ｖ）ＣＬ 这时Ｉ（０可近似为（２－４）在近红外波段，气体的吸收系数很小，满足口（订ＣＬ＜＜Ｉ，光强的调制幅度’（２?５），（ｆ）＝厶｛ｌ＋ｒｌｆ（ｔ）－ａ［ｖｏ＋％厂（ｆ）】观｝可以用Ｌｏｒｅｎｔｚ曲线描述ＣＨ４分子的吸收谱线型（２―６）气体压力接近一个标准大气压时，红外光谱的碰撞加宽起主要作用。因此口（’，）＝―＆．ｌ＋ｆ－－Ｖｇ ｌ 拶１，ｋ ／ｌＯ（２．７）武汉理工大学硕士学位论文ａｏ表示纯气体在吸收线中心的吸收系数，瞻和却分别对应吸收峰的中心频率和吸收线半宽，则式（２－６）变为，（，）＝厶当光源输出中心波长被精确地锁定在气体吸收峰上时，Ｖｏ－－Ｖｇ，则ｍ儿卜一ａｏＣＬ（２?８）㈣寸帆卜硼％ＣＬ谐波（２厂）的系数分别为（２－９）定义ｘ＝ｙ％’，，将式（２－９）展开为傅里叶级数序列，它的一次谐波（／）和二次俨／ｏ叩（２一ｌＯ） （２－１１）驴一ｋａｏＣＬｌｏ式中， ｋ＝－２１２＋ｘｚ．２（１＋ｘ２）１尼１／ｘ２（１＋ｘ２）１彪（２．１２）ｋ为Ｘ的函数，ｘ可以被调节Ｎ－次谐波的最大值，当二次谐波取得最大值时， ｄｋ／ｄｘ＝Ｏ，而ｘ≈２．２，这种条件下，ｋ＝Ｏ．３４３。由式（２－１０）、（２―１１）可知，一次谐波分量主要由强度调制引起，幅度正比 于光源的平均功率，和气体体积分数没有关系。二次谐波信号与气体的体积分 数和光强直流分量厶有关，检测二次谐波信号与光强直流分量厶就可以反演气 体体积分数值。二次谐波和光强直流分量厶的比值不含有厶，即１２，Ｉｌｏ＝ｋａＣＺ， 与光强信号无关，与被测气体体积分数、光程长成正比。由此可见，二次谐波信号检测的准确性直接影响测量的精度。当激光传输光路中的粉尘或视窗污染产生光强衰减时，二次谐波信号和光强直流信号会等比例下降，从而保持比值不变。因此粉尘和视窗污染对于仪器 的测量结果没有影响。武汉理工大学硕士学位论文２．２．３可调谐半导体激光吸收光谱技术的主要特性ＴＤＬＡＳ技术的主要特性有以下几方面：１）非接触测量，具有非常好的高温、高粉尘和强腐蚀等恶劣工业环境适应能力； ２）利用半导体激光良好单色性的“单线光谱’’技术避免了背景气体吸收的 干扰；３）利用半导体激光波长可调谐性解决了粉尘、视窗污染对测量的影响；４）无须采样预处理，响应速度快，真实反映现场气体状况； ５）无须多次标定，使用寿命长； ６）仪器可靠性高，标定维护方便，运行费用低。１２武汉理工大学硕士学位论文第３章甲烷气体光纤传感器的研究３．１吸收峰的选择根据比尔一朗伯特定律，出射光强，与入射光强而和气体的体积分数之间的 关系为式（２?１）所示，式中ｎ（１，）为气体吸收系数，可以看出，ａ（’，）越大气体吸收光强的能力越强，因此需要找到甲烷吸收最强的波长的光，而且为了避免背景气体组分对被测气体的交叉吸收干扰，应该在所选择的吸收线附近没有其他气体 的强吸收线。 根据ＨＩＴＲＵＮ软件数据库，可以看到甲烷在１６６５ｎｍ附近有多个吸收线， 如图３．１所示。ＨＡＷＫＳ ＩＮＴＥＮ８１１ＹＦｉｂ Ｃ：＇ｔｌ、ｃ．ｔｘｔ０嘲Ｏｅ００３５８００４，０●咐５ＷＡＶＥ Ｎｍ０６０Ｏ咖６５●呻６０Ｏ∞●５ｕ¨日Ｅ Ｒ ６ｃｍ－１图３－１甲烷吸收谱线１６６５ｎｍ～１６６６ｎｍ武汉理工大学硕士学位论文由图３．１可以看出，在６００４ｃｍ～－－６００４．５ｃｍ‘１（即１６６５．４ｎｍ～１６６５．６ｒｉｍ）之间 包含了三根相距非常近的吸收线，放大后看６００４ｃｍ’１￣６００４．５ｃｍ。１范围内的吸收 线（如图３．２）。三根吸收线所在范围是６００４．２９ｃｍ－ｉ～６００４．３３ｃｍ～，也就是说它们 相距的最大距离为０．０１ ｌｎｍ。ＨＡＷＫＳ ＩＮＴＥＮＳＩＴＹ Ｆｉｂ ＣＡｔｅｍｐＸｆ．ｏｕｔ● Ｎ Ｔ Ｅ Ｎ ｓ ● Ｔ ＹＸ伯∞¨２０∞¨２％１１００４３∞¨３幛ｉｔ００４３’∞舛３舒－１１１００４３２（１００４３巧０００４３３Ｗ ＡＶＥＮＵ Ｍ Ｂ ＥＲＳｃｍ图３．２甲烷吸收谱线１６６５．４６ｒｉｍ～１６６５．４７ｒｉｍ可以认为它们是线强为三条吸收线线强之和的一条吸收线。在吸收线两侧各０．５ ｎｍ范围内没有其它气体（如：水汽，二氧化碳，氮气，氧气等背景气体）的强吸收线，背景气体在该范围内吸收线如图３．３所示。可以看出，背景气体在该范围内的吸收线强度的数量级为ｌＯ。２５，而甲烷在该范围内的吸收线强度的数量级为１０埘。所选择的吸收线的线强比该范围内其它气体的吸收线要强５０００倍以上，完 全可以避免空气中其它气体的干扰。所以本研究选择波长为１６６５．４７ｒｉｍ的光。１４武汉理丁大学硕士学位论文ＨＡ、＾，ＫＳ ＩＮＴＥＮＳ ＩＴＹ Ｆｉｂ Ｃ：、１、ｈ２０．ｅ．０２．０２．ｎ２．ｔｘｌ：■州删１口啊叫ｊ―岍■岍―唧ＷＡＶ Ｅ Ｎ ｕ Ｍ Ｂ Ｅ Ｒ ８唧ｒ■明啊胂ｃｍ－１叩唧图３．３水汽、二氧化碳、氮气、氧气吸收谱线１６６４ｎｍ～１６６６ｎｍ 由于各个光谱仪都有自己一定的偏差，因此不能直接就用光谱仪将光源发 射出的光的波长调至１Ｊ１６６５．４７ｎｍ，应该先用ＬＥＤ光源寻找最强的吸收峰，ＬＥＤ的 光谱覆盖了甲烷气体多个吸收谱线，图３．４为３０％甲烷气体在１６６５．０ｎｍ～１６６６．０ｎｍ 范围内的吸收谱线，光通过气体后发生了多谱线吸收。ｉ ｉ ｉｌ…。‘‘１……。”‘＇……“● ’；；，…―’ｔ．………｝ｔｌ●ｉ帚＝…●…．－＿。：：ｈ弋０ ‘、，／ １…?．、?．，??Ｖ１．ｒ ；｛ ｒ…“…‘弋｝’Ｖ”／代垆｛…～Ｖ’＼７‘一”Ｖ…”／＼唆ｚ‘ Ｚ出爷ｆ一 罕选取 ……＇＿娟 ’？蜘Ｉｍ仃图３．４ ３０％甲烷气体在１６６５．０ｎｍ～１６６６．０ｎｍ范围内的吸收谱线武汉理工大学硕士学位论文３．２光源的选择光纤气体传感器的工作模式、信号处理方法、灵敏度、分辨率等都受所采 用的光源类型的影响，因此正确选择光源是设计光纤传感系统的前提。选择光源时，应考虑很多因素，如光源尺寸、工作条件、输出功率、波长和功率稳定 度、寿命、光源相干性、光源的光谱特性及光源与光纤耦合的难易程度等【３８＇３９１。本研究所选用的ＤＦＢ ＬＤ光源采用高精度的自动功率控制（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＰｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏｌ，ＡＰＣ）和自动温度控制（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ，ＡＴＣ）技术，具 有谱线窄、功率大、波长及功率稳定性好、动态单模特性和良好的线性等特点 ［４０，４１Ｊ，能够满足所设计的传感系统的实际要求。本研究选用ＤＦＢ激光器外部结 构和引脚示意图所图３．５所示。怫图３．５ＤＦＢ ＤＦＢＬＤ激光器引脚示意图ＬＤ激光器主要参数见表３．１。 表３．１光源参数 参数 符号Ｐｏ值１２．５ １６６５．３２ ０．１７单位 ｍＷＮｍ１ ２ ３ ４ ５ ６输出功率 中心波长 光谱宽度 边模抑制比 ＰＤ监控电流 阈值电流砷ＡｇＮｍｄＢ ｇＡＳＭＳＲＩＭ Ｉｍ５４．８０１６３ ＜１０ｍＡ１６武汉理Ｉ大学硕士学位论文通过光谱仪测量该光游，光源工作在５０ｍＡ直流激励，２５ｄｅｇｒｅｅ恒定温度下见图３－６。图３－６光源中心波长３３光电探测器的选择光探测器是光纤传感中不可缺少的基本元件，是影响整个系统性能的关键元件之一，它的作用是将接收到的光信号转换为电信号。与光源相似，光纤传 感系统所用光探测器应满足下列要求： （１）在ｒ作波长上有较高的灵敏度，为适应光纤通信光源发射的光波长范闸在Ｉ 信号。３～１７Ｊｌｍ，它们应在这些波长上在室温条件Ｆ，有效地将光信号转换为电（２）高保真度：它能在一个宽广的光信号强度范围内不失真地将光信号转换为电信号，这对于模拟传输系统尤为重要。 （３）短响应时｜刍Ｊ，宽探测带宽：光纤通信的最大优点是一条线路上可传送武汉理．Ｔ大学硕士学位论文很大容量的信息。因此，光探测器应具有足够短的光变电的响应时间，满足光纤通信速率增长的需要。 （４）噪声低：在光转换为电的过程中代入的噪声及本身产生的噪声越小越 好。 光电探测器是一种通过光电效应探测光信号的器件。而光敏二极管就是一 种典型的光电探测器。光敏二级管是在可见光或近红外光波段作探测使用，通 常工作在反偏状态下，以缩短光生载流子的传输时间，减小结电容，提高响应 速度。ＰＩＮ结二极管就是一种最常用的光敏二极管。但是对于普通的光电二极管（ＰＩＮ．ＰＤ）而言，高电流密度工作时要保持高速响应是困难的，这些困难主要是由光生载流子产生的电场屏蔽即空间电荷效应引起的。 基于ＩｎＧａＡｓ／ＩｎｐｐｉｎＰＤ结构的光电二级管能够同时满足高响应速度和高饱和输出功率的要求。它采用分布或边耦合结构通过减少光生载流子的漂移空间距离来降低光电二极管空间电荷效应，提高了输出功率；采用优化参数的 ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ双耗尽区结构，通过减少光生载流子的漂移空间距离和ＩｎＧａＡｓ层 的热阻影响来降低空间电荷效应，改善线性响应特性。 考虑到本实验所探测的波长范围和仪表在Ｏ．４０℃范围内的稳定性，决定采 用ＩｎＧａＡｓＰＩＮ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅＧ８３７１．０３型光电二极管，它的光谱响应范围为０．９～１．９岬，感光响应度可达１．１Ａ／Ｗ。见图３．７。该光电二极管在温度特性方面 也相当出色，特别在１．６￣１．７岬波长范围内，比其他光电二极管有着更好的特性曲线。见图３．８。／／／、、ＴＩ－５Ｉ．：ｈ，：ｒ Ｅ，，ｌ’０广ｔ【：－ Ｚ －．｝Ｊ，≯， ｝／， ｌ－．：：巾｛：，￡ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨｆ岍，ＷＷＥＬ钒ＧＴＨ ｌ岬）图３．７光电二极管光谱响应曲线图３．８光电二极管感光响应温度特性曲线１８武汉理工大学硕士学位论文３．４系统的硬件设计３．４．１系统原理图甲烷光纤气体传感器的系统原理图如图３－９所示，光源温度控制ＤＦＢＬＤ光源Ｌ⑩高频正弦调制 ▲ｆ。 ｒＶ丫ｌ前置放大滤波２ｆ低通滤波ｌ倍频器＼剖而心幽电一、丫ｒ１ ｒ光强 －直 流 分模拟乘法器ＭＬＴ０４低频锯齿波上量厂滤：器］１次ｌ谐 ，波１ｒ信号处理图３－９甲烷光纤气体传感器的系统原理图 从图３－９可以看出，甲烷光纤气体传感器系统主要由六部分组成：光源驱动 部分，光源恒温部分，传感部分，光电转换部分，锁相滤波部分和信号处理部分。光源、传感、锁相放大和光电转换部分是模拟电路；信号处理部分是数字电路，主要由ＡＲＭ和单片机构成。将７０Ｈｚ的低频锯齿波和５０ＫＨｚ的高频正弦波叠加后驱动光源，光源发光 通过光纤传输经气室吸收后，带有气体浓度信息的光信号被光电二极管（ＰＩＮ）接 收转换成电信号，然后通过前置放大和高通滤波，去掉低频锯齿波，将因吸收 而变形的５０ＫＨｚ高频正弦输入锁相放大器，跟１００ＫＨｚ高频正弦（余弦）波相乘后， 再经低通滤波电路后自乘平方再相加就得到了反映气体浓度的二次谐波信号。１９武汉理工大学硕士学位论文３．４．２光源驱动部分光源驱动部分又称波长调制驱动电路，主要由调制斜波、高频调制和光源驱动三部分电路组成。 （１）调制斜波电路 调制斜波电路主要由两大部分构成：ＡＲＭ芯片和ＤＡ转换芯片，它们之间 通过ＳＩＯ接口连接。ＤＡ转换芯片采用的是ＬＴＣ８０４３，ＬＴＣ８０４３是串行输入，１２ｂｉｔ 的ＤＡ转换芯片。 调制斜波电路图如图３．１０，参考电压ＶＲＥＦ为１０Ｖ，所以电压转换的范围为 ０＂－－１０Ｖ，精度为１０／４０９６Ｖ。由于ＬＴＣ８０４３输出的是电流信号，所以后面需接一个ＬＴｌ４６８，将电流信号转换为电压信号。Ⅱ加０∞ＤＳＤ＾ ＣＬＯＣＫ ＤＡｌ８ ７６啪玑ｄＣＬＫ Ｓｍ ＬＤ Ｒ而ｌ ２ ３ ●髓Ｄ＾－－Ｃ加１０ＧＮＤ Ｄ▲ １ ２ ３ １５ｖ．４Ｕ２０２ ８ ７ ６ ５Ｓ Ｄ＾Ｔ＾ＯＬＤ５∞ｋｍｔＮⅡＩ工ＤＮＣ ．ｎＩ ＷｌｍＳａｔＷ＋Ｉｌｌ覃碱■唧．ＩＬＴＣｅ０４３Ｅ站ＬＪｌ●鹋图３．１０调制斜波电路图 （２）高频调制电路 高频调制电路主要产生高频的正弦信号，电路图见图３．１１。图３－１１高频正弦信号发生电路武汉理．Ｉ．大学硕士学位论文改变图中的Ｃ２３８和Ｃ２３７的值可以改变正弦的频率。（３）光源驱动光源驱动电路就是用叠加后的低频和高频电信号柬驱动光源，首先我们需 要将低频斜波和高频正弦叠加。低频斜波和高频正弦叠加的电路如图３．１２所不。罔３．１２信号叠加电路低频斜波ＳＡＷ和高频正弦ＳＩＮ通过运放叠加、放大后的信号ＳＩＧ 给光源做驱动。用示波器观察其波形分别如图３－１３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）所示。∞，ｋＪＬ‘●ｓ’∞㈣。ｌｂｋ＋儿ｉｍＴ，ｇ…‘ｎ钿ｏＬＡＳＥＲ八，八八．／＼／＼：。……㈨低频斜波ＳＡＷ。。Ｚ：芽“罟；矗： ㈣高频正弦ＳＩＮ武汉理工大学硕士学位论文光源驱动电路见图３．１４。图中运放的ＩＮ＋的电压为ＳＩＧ―ＬＡＳＥＲ，由于虚短，所以Ⅳ－的电压也为ＳＩＧ＿ＬＡＳＥＲ，所以通过Ｒ２０５的电流就是ＳＩＧ―ＬＡＳＥＲ／Ｒ２０５，因为ＬＥＤ和Ｒ２０５串联，所以ＬＥＤ上的电流和Ｒ２０５相等为ＳＩＧ―ＬＡＳＥＲ／Ｒ２０５。 改变ＳＩＧ―ＬＡＳＥＲ电压或Ｒ２０５阻值就能改变光源驱动电流。Ｌ∞ｅｆＤｎ卅Ｆ图３．１４光源驱动电路３．４．３光源恒温部分光纤传感中，外界环境因素对光源的激射光波长和谱线稳定性的影响会导 致传感器的精度降低，因此为提高光纤传感系统的测量精度和稳定性，必须采 用有效的控制手段来保持光源的稳定性。激光器内部一般都集成了热敏电阻和 热电制冷器（ＴＥＣ）。热敏电阻是由电阻温度系数大的导体材料制成的电阻元件。电阻温度系数多为负值，其阻值与温度的关系是非线性的，阻值随着温度的升高而降低。ＴＥＣ是一种利用帕耳贴（Ｐｅｌｔｉｅｒ）效应进行制冷或加热的半导体器件， 在ＴＥＣ两端加上一个直流电压就会产生一个直流电流，这会使ＴＥＣ的一端发热， 另一端制冷，把ＴＥＣ两端的电压反向则会导致相反的热流向。ＴＥＣ可以移去的热量与流过ＴＥＣ的电流值有关，因此目标物体的温度可以通过控制流过ＴＥＣ两 端的电流方向和幅度来控制。但是ＴＥＣ的电流一旦超过某个最大值，ＴＥＣ就不 再制冷而只是发热，因此应避免这种情况的发生。温控电路的基本思路是根据ＤＦＢＬＤ内置的热敏电阻的变化驱动制冷器（ＴＥＣ）工作，保证ＤＦＢ ＬＤ管芯的温度保持不变，使得ＤＦＢ ＬＤ输出功率稳定。 本文采用了Ｌｉｎｅａｒ公司推出的一款专门用于控制制冷器（ＴＥ℃）的芯片武汉理工大学硕士学位论文ＬＴＣｌ９２３，它采用固定频率、电压模式结构来对温度进行控制。图３．１５是ＬＴＣｌ９２３内部功能框图。ＰＬＵ阿．昭ＬＥＷ眦 一盯盯慨）Ｖ Ａ Ｖ嗍聊．重愀Ｖ Ｖ Ｂ＾Ｂ阳一噜胤阳ＮＤ麓ＩＬＩＭＥ＾ａｒｒＶＳＥ．ｒＣＳ＋ Ｃｓ．ＶＴＨＲＭ ＴＥｃ＋ＴＥＣ?ＡＧＮＤＶＲＦ．．Ｆ／ＦＡ．ＵＬＴ１１。日ＣＶＴＥＣＨ，Ｃ图３．１５ ＬＴＣｌ９２３内部功能框图 内部主控制回路包括１个误差放大器、１个ＰＷＭ比较器和２套互补输出驱动。 误差放大器的正相输入是前一级运放的输出，在反相输入ＦＢ和输出端ＥＡＯＵＴ之间接一个电阻和电容组成的网络，可以对回路进行补偿。误差放大器的输出与振荡器产生的三角波的关系控制着ＰＷＭ比较器输出的占空比。误差放大器的输 出同时被ＴＥＣ电压钳位电路控制，实现逐个脉冲限流的功能。互补的输出驱动一个ＭＯＳ全桥开关电路，为ＴＥＣ提供双向电流。ＬＴＣｌ９２３可以提供自由工作模式和同步模式（多个１９２３一起工作）。若作为同步的从芯片，ＰＬＬＬＰＦ作为锁相环的低 通滤波器，ＳＤＳＹＮＣ接收外部时钟；若工作在自由模式或作为同步模式的主芯片，工作频率由ＣＴ和ＲＴ决定，ＳＤＳＹＮＣ向外送出时钟。ＲＴ还决定了三角波振荡器的充／放电电流以及２组输出之间的死区时间。 另外，ＳＤＳＹＮＣ引脚接地将禁用所有内部电路。武汉理Ｔ大学硕士学位论文芯片工作在较高的开关频率下，可以用更小的电感和电容，从而减少ＰＣＢ板的面积、降低成本。然而，高开关频率会引入高频噪声，对电源造成污染，因此应采取抑制措施。ＬＴＣｌ９２３提供了一个ＲＳＬＥＷ引脚，在他与地之间接一个 电阻可以限制输出驱动引脚上的电压摆动率，以抑制电源中的电流纹波，提高 电路的噪声性能。 电路采用负反馈，将热敏电阻的电压与给定电压比较，所得误差值经放大 后，控制ＰＷＭ比较器输出电压的占空比，从而控制全桥电路Ａ侧、Ｂ侧的导通时 间，以达到控制ＴＥＣ上电压、电流的大小及方向的目的。 温度给定值的设定由ＡＲＭ处理器设定相对于某一温度的给定电压数字量 （１４位），经ＤＡＣ芯片ＬＴＣｌ６５８转换为模拟给定值。如图３．１６。 比较放大部分由２个放大器组成。第ｌ级是１个零漂移的仪器放大器ＬＴＣ２０５３， 增益固定为１０，第２级是ＬＴＣｌ９２３内部的误差放大器ＥＡ，通过外接的电阻电容网 络的选择，调节放大器的增益，从而调节整个回路增益，并对控制系统的热极 点进行补偿以达到快速响应速度和高的温度稳定性。季１１－ｌ－―１舴 ＰＬＬＬ耳Ｒ１ ｏＩ ３３曲Ｆ ＩＩ ―ｒ．ＬＪ 只５Ｌ饼 ’∞一参Ｃ帕一瑚ＰＬＴ二１６∞雨瓣帕咂Ｆ一ＩＩｌｕＦ’ＩＩ毪Ｏ‰ｎ卜一一／ｄ．ＴｐＦ。一ｗ．●１∞ｋ１叫ＩＩ―饼―ｔ嗍ｅ＂椰ｒ蛐削ｅ∞Ｕ ＩＥ’．。．。Ｊ一’±１蚶吾响匏３‰―｝ｌｕＦ―ｊ帅ＰＧ帅鹞丰卅．―Ｉｌ删髂＋ 髂‘－＿一●．』√啦 口岔 ＿Ｉ茜帅“盘譬亭１下”，篡１０扯Ｈ０，；ｑ．ＥＲｌ３―Ｉ一 １１０１．Ｉｌｌ＃１．２Ｈ：坠卜。丁：：２Ｉ．ＦＩ｝ Ｉ嗣ＩＬＭ帕ｆｗＩＶｇ盯Ｌ｜鼍｛融Ｆ，ｑＵＬＴ一广靠 ｌ ＩＶ删Ｉ亿ＣＩ，．ｔＣ ＇ｖｌ＇ｌＣ ＴＥｅ＋ ＴＥｇ‘图３．１６以ＬＴＣｌ９２３为核心的温控电路武汉理：ｒ大学碗｝学位论文３４４光电转换部分的设计光电转换部分包括光电转换与前置放大电路。从气室出来的光包含了气体的浓度信息．经过光电一‘极管转换成电信导。由于系统中要探测的光电流信号 很微弱，前置放大器的增益必须很高。ＰＩＮ光电二极管探测光信号并将其转换为 电流信号，采用高阻负载有利于获得大的电压信号，从这个角度考虑希望采用 高阻抗放大器，但是高负载电阻和放大器输入电容将增大Ｒｃ时间常数．影响 系统的频率响应。采用互阻放大器就呵以克服这一缺点，互阻放大器实际上是 一个利用了运算放大器的高增益性质的电流一电压变换器。因为有用信号被噪 声信号深埋起来，所以前置放大电路还应该起到最大限度抻制噪声的作用，以 获得虽大的信噪比。因此放大器应该工作在最佳源电阻的情况下，但是实际电 路很难同时满足上述的各个要求。所以采用压缩前置放大器的频带通带的方法 束降低噪声，提高检测时信号的动态范围。 前置放大器中的核心部分是运算放大器，运算放大器的性能指标ｆ如开环增益、 输入偏置电流、失调电流、失调电压、频率响应和噪声性能等）对前置放大器有 重要的影响。图３－１７为光电转换电路，ＰＩＮ二极管直接跨接在运算放大器的正 反两个输入端。Ｒ２５８为反馈电阻，改变Ｒ２５８的阻值能够改变光信号转换为电 信号的大小。国３一１８为示波器观察的光电转换后信号波形ｆ图中上部分为光源激励信号波形，Ｆ部分为光电接收后信号波形ｋｈｋ＋几●ｓ１∞Ｍ眦：乩舶∞≈懒蛳拶辨懈懒－ｌ－Ｊ｝｜｝嗍图３?１７光电转换电路图３－１８光电转换后信号波形运算放大器采用ＴＬＣ２２７２双运算放大器．它适合作为弱信号检测的电流 电压转换放大器，性能指标如下：武汉理工大学硕士学位论文输入电阻：１０１２Ｑ 输入电容：８ ｐＦ 极低的输入偏置电流：ｌｐＡ 输入失调电流：ｌｐＡ 带宽增益为：２．２ＭＨｚ 输入噪声电压在ｌｋＨＺ附近为：９ｎＶ／√舷。低输入偏置电压：温度为２５℃时，最大值为９５０ｕＶ３．４．５锁相放大电路锁相放大电路的作用是将光电转换后的电信号里反映气体浓度的二倍频信 号取出，通过ＡＤ转换器转换为数字信号后送到ＡＲＭ处理器里做数据处理。 （１）锁相放大器基本结构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对信号的窄带化处理，能有效地抑制噪声，实现对微弱信号的检测和跟踪。 常用的锁相放大器的基本结构，如图３．１９所示，包括信号通道、参考通道、 相位检测器（ＰＳＤ）和低通滤波器（ＬＰＦ）等【４２。。ｐ（ｔ）―――――］－ＬＰＦ卜―一◆Ｕｏ（ｔ）图３．１９锁相放大器的基本结构信号通道对调制正弦信号进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相位检测器工作的电平，同时滤除部分干扰和噪声。参考输入一般为等幅正弦信号 或方波开关信号，参考通道对参考输入信号进行放大或衰减，以适应相位检测 器对幅度的要求。相位检测器是锁相放大器的核心部件，即鉴相又鉴幅，其输出取决于输入 信号的幅度以及输入信号与参考信号的相位差。常用的相位检测器有模拟乘法 器（ＭＬＴ０４）和电子式开关（ＡＤ６３０），实际上电子开关式相位检测器相当于参考信号为方波情况下的模拟乘法器。 相位检测器输出为：Ｕｐ（ｔ）＝－ｘ（ｔ）木ｍ） （３?２）武汉理工大学硕十学位论文（２）锁相放大器原理 系统锁相放大电路基本原理图如图３．２０。『光电转换～』崔旦±岛、 １焉。?亨捌／＼ＭＬＴ０４信号输出―――一信号处理移相电路Ｌ◆参考信号输入▲高频正弦Ｊ倍频电路２ｆ垒．＝■Ｌ艟旦蛤、 一万丐１ｉ丐捌八～图３．２０锁相放大电路基本原理图 锁相放大的作用是取出光电转换后的电信号里反映气体浓度的二倍频信号。 光源的驱动信号是频率为缈的正弦波，则光源发出的光为同频的光。经由光纤 传输、气室和光电转换之后，由于有噪声干扰信号Ｎ（ｔ）混入，并且产生一定的 衰减和延时，设光电转换后的电信号里反映气体浓度的二倍频信号为ｙ＝Ｂｓｍ（２耐＋≯＋９）＋Ｎ（ｔ），其中有用信号为Ｂｓｉｎ（２ｃｏｔ＋矽＋９），乡为有用信号和参考信号的相位差。乘法运算 低通滤波器ｙ＝一ｌＡＢｅｏｓ０ｙ２Ａｓｉｎ（２ｗｔ＋巾）图３．２ｌ相关检测技术原理 图３－２ｌ中，待测信号是Ｂｓｉｎ（２ｃｏｔ＋≯＋秒），噪声信号是Ｎ（ｔ）。由于待测幅值Ｂ很小，常常被周围的噪声淹没，为了提取该信号，需要参考通道提供一个同频正弦信号ｙ＝Ａｓｉｎ（２ｃｏｔ＋＃），其中幅值Ａ是确定的。两路信号到达乘法器，进行 运算，结果为：１’），＝一÷ａＢ［ｃｏｓ０＋ｅｏｓ（４ｗｔ＋２４＋Ｏ）］＋Ａｓｉｎ（２ｗｔ＋０）Ｎ（ｔ）（３－３）武汉理工大学硕士学位论文式中－（１／２）ＡＢｃｏｓＯ为直流成分，大小与两信号幅值及相位差的余弦成正比； 一（１／２）ＡＢｃｏｓ（４ｗｔ＋２矽＋ｐ）为待测信号的二倍频信号。和待测信号同时进入乘法 器的噪声信号也要和参考信号相乘，结果Ａｓｉｎ（２ｗｔ＋矽）Ｎ（ｔ）几乎都是交流信号。 低通滤波器的通带可以做的很窄，经过低通滤波器，待测信号的二倍频信号和噪声与参考信号相乘的结果都被滤掉，仅剩下直流信号，即吖ｌ／２）ＡＢｃｏｓ０。只 要两个信号的相位差口是已知的，则ｃｏｓ０是恒定的。由于参考信号的幅值Ａ是 确定的，那么很容易得到待测信号的幅值Ｂ。这时相关检测技术基本的工作原理。 光的传输与光电转换过程中产生的延时是未知的，即转换后的信号里反映 气体浓度的二次谐波信号与参考信号的相位差秒是未知的，所以用一路参考信号 还无法得到二次谐波幅值的确切值。除了相位差为Ｏｏ之外，在其他状态下并不 能很好地测量二次谐波幅值大小。 在每次测量之前，需要把被测信号与被测量信号之间的相位差调节到零， 然后再送到相关器。为了能够正确的测量振幅和相位，需要有能调节相位的移 相电路部分。另外，如果将参考信号的相位移动９００，使用两个相关器，那么可 以不需要相位调节电路，这样测量起来比较方便，其原理如图３．２２所示。两路 的参考信号分别为正弦信号ｙ＝Ａｓｉｎ（２ｃｏｔ＋矽）与余弦信号Ｙ＝Ａｃｏｓ（２缈ｔ＋矽）。曩法运篁 怔蚤遗澶置ｙ―Ａｃｏｓ（２ｗｌ＂由１图３．２２两路参考信号锁相解调原理图（３）ＭＬＴ０４模拟乘法器及其硬件电路实现由以上分析的锁相检测原理可知，无论是锁相解调去无关频率分量还是自武汉理工大学硕士学位论文乘平方消除相位影响都是两个信号相乘的过程。一般的，两个模拟量（电压或 电流）相乘都是由模拟乘法器实现，所以我们采用模拟乘法器实现上述功能电路。再根据锁相解调必须由两路信号，每路信号不仅要锁相解调，而且要白乘平方（即需要四路相乘）。而且每路信号的正负随时间不定等特点，综合考虑， 可采用ＭＬＴ０４和少量的外围器件实现锁相解调功能。ＭＬＴ０４内部结构及引脚排列如图３．２３所示。叭ＤＭ一射ｗｋ垤Ｘ２僦Ｍ；¨ｋ竹Ｘ３ ＧＮ０３ 蚺懵ＧＮＤ２Ｗ２Ｗ ｚ‘Ｘ。ｖ）ｔ２．５Ｖ图３．２３ ＭＬＴ０４内部结构和引脚图 其主要特性如下： （１）四个独立输入通道； （２）四象限乘法信号； （３）电压输入电压输出； （４）乘法运算无需外部元件； （５）电压输出：Ｗ＿（Ｘ宰Ｙ）／２．５Ｖ，其中Ｘ或Ｙ上的线性误差度仅为０．２％；（６）具有优良的温度稳定性：０．００５％； （７）模拟输入范围为±２．５Ｖ，采用±５Ｖ电压供电；（８）低功耗，一般为１５０ｍＷ。由以上分析，结合锁相检测与模拟乘法器ＭＬＴ０４的特点，我们设计出以下锁相检测电路实现锁相解调，提取光电转换后的电信号里反映气体浓度信息的 二次谐波信号幅值。具体框图如图３．２４所示。而且与参考文献【４３】中电路相比，我们的电路消除了相位影响，并直接由硬件得到要检测的二次谐波信号的幅值 信息。图３．２５为示波器观察锁相解调后的二次谐波信号波形。实验表明，改变武汉理工大学硕士学位论文参考信号的相位，二次谐波信号幅值信息没有变化，彻底消除因光纤传输延时 和电路自身延时所产生的待测信号和参考信号相位差的影响，直接由硬件得到 要检测的二次谐波信号的幅值信息。、，＝七Ｂｃｏｓ９。－图３．２４基于ＭＬＴ０４锁相解调电路原理图 图中Ｙ＝Ｂｓｉｎ（２ｃａｔ＋矽＋秒）＋Ⅳ（ｆ）是光电转换后的带有气体浓度信息的高频 信号；ｙ＝Ａｓｉｎ（２ａＪｔ＋矽）和ｙ＝Ａｃｏｓ（２ａＪｔ＋≯）都是锁相放大器ＭＬＴ０４的输入参考信号，其中Ｙ＝Ａ ｓｉｎ（２ｃｏｔ＋≯）是高频正弦的二倍频信号，ｙ＝Ａｃｏｓ（２ａ，ｔ＋≯）是ｙ＝Ａｓｉｎ（２缈ｔ－Ｉ－≯）经移相电路移相９００后的参考信号。１ｉｅｋ』Ｌ．日Ｔｒ∥ｄＭ ●Ｐｏｓ：－５．７８０ｍｓＡｉ、Ｒ?｝？｛。、ｆ ０，∥ｋ小√，ｊ； ｛；ｌ：！‘ｋ 扎；。∥一Ｉｊ；；≯孑《“；＿．一Ａ豫Ｍ ５．∞ｍｌ川二二弭Ｗ．ｏ一＿｛／一『＝■１：√＾ｌｉ’图３．２５ ＭＬＴ０４锁相解调后提取的二次谐波信号、武汉理工大学硕士学位论文移相电路如图３．２６中上部分所示。其为一个ＲＣ电路，由ＲＣ电路的工作原理可知，不同频率的正弦波电压通过ＲＣ电路时，输出端的电压幅度与相位都 与输入端不同。其模和相位角分别是：ｕ∽ｏ＝五Ｒ＝丝Ｉ＋ＲＣ＝∥ Ｒ＋上 ，：；氅（３－Ｓ）Ｕｙｗｃ，＝―１＝＝＝＝＝＝＝＝２（３－４）、７√１＋（ｗＲＣ）２ｗＲＣ≯＝ａｒｃｔａｎ―二一’（３－６）、 ７显然，随着频率的改变，单节ＲＣ电路中产生的相移在０％９００之间变化，但 最大相移不超过９００；输出电压的幅度也随频率的变化而变化，相移大，输出电 压小。由此可知，为了相移电路移相９００，需要两节ＲＣ电路，如图３．２６中下图 所示。示波器观察移相电路输入输出波形如图３．２７所示。Ｃ Ｈ ｇｏｇｌｅｋ』Ｌ●圈ＩｒＮ口ｂｌｋＵＵ皤ＣＣ、ｍ钳‰，ＣＨ２ ５００ｍ＇，／Ｍ２．ＳＣ鹏图３．２６ ＲＣ移相电路图３．２７移相电路波形３．４．６倍频电路倍频电路的作用是产生严格的光源驱动中高频正弦的二倍频信号，为锁相放大器ＭＬＴ０４提供同步参考信号。 我们采用ＣＤ４０４６锁相环做倍频电路，图３．２８是ＣＤ４０４６内部电原理框图，主要由相位比较Ｉ、ＩＩ、压控振荡器（ＶＣＯ）、线性放大器、源跟随器、整形武汉理工大学硕士学位论文电路等部分构成。图３．２８ ＣＤ４０４６内部电原理框图 在锁相环路的反馈通路中接入分频器，便可得到锁相倍频电路，如图３．２９ 所示。图中ｕＩ的振荡频率为￡；ｕｏ为输出电压，其振荡频率为￡；ｕ０经Ｎ分频 后与ｕｌ进行相位比较。当环路锁定后，相位比较器输入的两个信号的频率相等，即ｆｉ＝￡／Ｎ 所以输出信号的频率为ｆｏ＝Ｎｆｉ（３－７）（３－８）改变Ｎ的数值，就可以得到￡不同倍数的输出频率￡图３．２９锁相倍频电路３２武汉理丁大学硕士学位论文倍频电路图如图３．３０，我们用Ｄ触发器７４ＨＣ７４构成二分频电路，输出信号和ＣＬＫ输入分别接ＣＤ４０４６的３脚和４脚。ＣＤ４０４６工作原理如下：输入信 号Ｕｉ从１４脚输入后，经放大器Ａ１进行放大、整形后加到相位比较器Ｉ、ＩＩ的输入端，开关Ｋ拨至２脚，则比较器Ｉ将从３脚输入的比较信号Ｕｏ与输入信号Ｕｉ作相位比较，从相位比较器输出的误差电压Ｕ甲则反映出两者的相位差。Ｕ甲 经Ｒ３、Ｒ４及Ｃ２滤波后得到一控制电压Ｕｄ加至压控振荡器ＶＣＯ的输入端９脚， 调整ＶＣＯ的振荡频率ｆ２，使亿迅速逼近输入信号频率ｆｌ。ＶＣＯ的输出又经除 法器再进入相位比较器Ｉ，继续与Ｕｉ进行相位比较，最后使得ｆ２＝ｆｌ，两者的 相位差为一定值，实现了相位锁定。示波器观察４脚和１４脚波形如图３．３ｌ所示。Ｃ∞ｃ４６图３．３０倍频电路图＋＿ｉ’ｒ－“２ＣＨ２ ５００ｒｎＶＭ ５厦脚ＣＨ２、图３．３１倍频电路波形图武汉理工大学硕士学位论文３．４．７光强直流分量检测光强直流分量检测是采用低通滤波电路去掉光电转换后信号中的高频部分，得到光强直流分量。在光源激励直流偏置部分，光源发光波长远离气体吸 收峰，通过气室后光强不会发生变化。低通滤波电路如图３．３２所示。图３．３２光强直流量检测电路３．４．８红外遥控红外遥控电路的作用是使用遥控器完成传感器报警点的设定。主要包括红外遥控发射电路和红外遥控接收电路组成。 （１）红外遥控发射电路 本系统采用通用红外线遥控发射器集成芯片ＢＬ９１４８。其电路原理图如图 ３．３３所示。用ＮＢ９１４８的Ｔ１和Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３组成三个按键，分别是“选择键”、 “上升键＂、“下降键”，该三个键中的每个按键发送的信号都是连续的。将４５５ＫＨｚ的晶振接于ＮＢ９１４８的ＸＴ、而引脚，产生４５５ＫＨｚ振荡频率，对应的发射载波频率被设为３８ＫＨｚ。三极管２ＳＡｌ０１５和２ＳＣｌ８１５组成放大电路，将放大后的信号送至红外线二极管ＴＬＮｌ０５将高频信号转换为红外信号发射到空间。（２）红外遥控接收电路 在红外遥控系统的接收端采用ＮＢ９１４９对接收到的信号进行处理，去掉３８ＫＨｚ的载波信号，得到红外输入信号的包络一调制信号。ＮＢ９１４９的内部包含了红外信号接收过程所需的全部电路。基于ＮＢ９１４９的红外线接收电路如图３．３４所示。采用ＨＳ００３８作为一体化的红外线接收组件，它内部包含了红外线接收管、前置放大、解调等电路。ＨＳ００３８将接收到的红外信号送入ＮＢ９１４９，再由ＮＢ９１４９对接收到的信号武汉理工大学硕士学位论文进行判断，查表确定发送端的按键，最后由对应的ＮＢ９１４９输出引脚输出。由于 ＮＢ９１４９只提供１０个输出引脚，所以只能完成１０种功能控制。图３．３３红外遥控发射电路图３．３４红外遥控接收电路３．４．９显示与声光报警甲烷传感器在井下工作，对环境气体中的甲烷浓度进行监测，并实时显示： 当甲烷浓度超过预置的报警值时，不但要迅速将浓度信息传输给分站，及时进 行现场报警更为重要。为了加强报警效果，本传感器采用声光同时报警的方式， 当监测到甲烷浓度值超过报警值时，蜂鸣器～定频率响；高亮红色ＬＥＤ闪烁。３５武汉理工大学硕士学位论文图３．３５为数码管显示部分电路原理图。：：；图３．３５数码管显示电路原理图 ＺＬＧ７２９０具有ＩＩＣ串行接口功能的可同时驱动８位共阴式３数码管的智能 显示驱动芯片，该芯片同时还可以连接多达６４键的键盘矩阵，单片即可完成ＬＥＤ 显示、键盘接口的全部功能。ＺＬＧ７２９０的ＩＩＣ接口传输速率可达３２ｋｂｉｔ／ｓ，容易与处理器接口，用户只要象读写２４Ｃ０８内的单元一样，即可实现对ＺＬＧ７２９０的控制。 声光报警电路由ＮＰＮ三极管、蜂鸣器、ＬＥＤ和限流电阻组成，如图３．３６所示。由单片机Ｉ／Ｏ控制声光报警。８０５０是一种常用小功率开关三极管，它的 最大负载电流为７００ｍＡ，ＶＣＥＯ＝２０Ｖ，饱和压降为０．５Ｖ。８０５０作为蜂鸣器和发武汉理工大学硕士学位论文光二极管的驱动器，蜂鸣器工作电压为１８Ｖ，发光二极管的额定电流为 １０－－，４０ｍＡ。当单片机Ｉ／Ｏ口为高电平时，三极管导通，蜂鸣器发出报警声，发光 二极管则给出光指示信号。１９Ｙ图３．３６声光报警电路原理图 ３．４．１ ０电路本质安全设计与校验 电路本质安全技术通过限制电火花和热效应这两个可能的引爆源来实现防 爆Ⅲ】。它实际上是一种低功耗设计技术。原理是从限制能量入手，可靠地将电路中的电压和电流限制在一个允许的范围内，以保证仪表在正常工作或发生短接和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不至于引起其周围可能存 在的危险气体的爆炸【４５１。安全系数是本安设计的一个重要的标准，安全系数是指最小点燃电流（或电压或能量）与本安电路的电流（或电压或能量）相比的倍数，即 本奄甲．龉的申．流安全系数＝毒笔蠡器通常，安全系数施加在电路的电流或电压上，但也有将安全系数施加在能量上的。我国国家标准ＧＢ３８３６．４－一２０００《爆炸性气体环境用电设备第４部分： 本质安全“ｉ”》和大多数ＩＥＣ成员国标准一样，规定将安全系数施加在电流或电 压上。对于煤矿用监测仪表，属于Ｅｘｉｂ防爆等级，其安全系数为１．５。本系统的本安设计遵循ＧＢ３８３６．仁８３《爆炸性环境用防爆电气设备本质安３７武汉理工大学硕士学位论文全型电路和电气设备“ｉ＇’》，其中对电源模块的主要要求是：本质安全电源电路必须符合“本质安全电路标准’’的要求，本质安全电路是指在标准规定的条件（包括正常工作和标准规定的故障条件）下产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路。对于元器件的主要要求是：与本安性能有关 的元件在正常工作状态时，电流、电压或功率不得大于其额定值的三分之二； 电阻器的精度不低于士５％等【蚓。本文主要对以下几个部分进行了设计：电源模块，微处理器，Ａ／Ｄ转换电路，Ｄ／Ａ转换电路，激光激励电路，光电二极管接收电路，数码管显示、声光报警、 红外遥控及频率输出电路，锁相、倍频信号处理电路。 （１）电源模块，主要由开关电源芯片ＬＭ２５７５、ＭＣ３４６０３以及储能电感Ｌ３０３、 Ｌ３０４、滤波电容Ｃ３００、Ｃ３０５、Ｃ３１９、Ｃ３２４等组成。 开关电源电路可以近似认为是纯阻性电路，且要求该电路能适用于Ｉ类（煤矿 用本安仪表）危险场所。根据电阻电路中电源电压与最小点燃电流之间的关系可 知ｍ】，电源电压为１８Ｖ时，最小点燃电流为３Ａ。流过ＬＭ２５７５、ＭＣ３４６０３电流 低于１Ａ，安全系数Ｋ＝３／１＝３＞１．５。 电感Ｌ３０３、Ｌ３０４容量为３３０ＵＨ，流过的电流低于５００ｍＡ，小于最小点燃 电流２Ａ，安全系数Ｋ＝２Ａ／５００ｍＡ＝４＞１．５。 电容Ｃ３００、Ｃ３０５容量都为１０ＵＦ，两端的电压低于１２Ｖ，远小于最小点燃电 压５０Ｖ，安全系数Ｋ＝５０／１２＝４．１＞１．５。。，电容Ｃ３１９、Ｃ３２４容量都为０．１ＵＦ，两端的电压低于１２Ｖ，远小于最小点燃电压５０Ｖ，安全系数Ｋ＝５０／５＝４．１＞１．５。 （２）微处理器，主要由ＳＤ ＲＡＭＨＹ５７Ｖ６５１６２０、Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ３９ＶＦｌ６０、微处理器Ｓ３Ｃ４４８０Ｘ、电阻Ｒ１００、电容Ｃ１２８，Ｃ１２９等组成。ＩＣ芯片外加电压均为３．３Ｖ，工作电流极小，消耗功率极小，可忽略不计。电阻Ｒ１００上流过的电流很小，可忽略，它们上面消耗功率远远小于额定功 耗１／８Ｗ的２／３。电容Ｃ１２８、Ｃ１２９容量都为ＩＯＯＵＦ，两端的电压低于３．３Ｖ，远小于最小点燃电压１７Ｖ，安全系数Ｋ＝１７／３．３＝５．２＞１．５。 （３）Ａ／Ｄ转换电路，主要由运放ＯＰ２７、Ａ／Ｄ转换芯片ＡＤ７８９８、电容Ｃ１５０ 等组成。ＯＰ２７外加电压为．５Ｖ－．５Ｖ，小于最大电压．２２ｖ＾２２Ｖ的１／３，工作电流极小，３８武汉理工大学硕士学位论文消耗功率极小，可忽略不计。ＡＤ７８９８外加电压为５Ｖ，工作电流为２ｍＡ，消耗功率１０ｍＷ＜２２．５ｍＷ的２／３。 电容Ｃ１５０容量为２２ＰＦ时，流过的电流很小，可忽略，他们上面消耗功率 远远小于额定功率ｌ／８Ｗ的２／３。 （４）Ｄ／Ａ转换电路，主要由Ｄ／Ａ转换芯片ＬＴＣ８０４３、运放ＯＰ２７、电阻Ｒ２０７、 电容Ｃ２００等组成。‘ＬＴＣ８０４３外加电压为５Ｖ，工作电流极小，消耗功率极小，可忽略不计。 ＯＰ２７外加电压为．５Ｖ－．５Ｖ，小于最大电压．２２ｖ－―－２２Ｖ的ｌ／３，工作电流极小， 消耗功率极小，可忽略不计。 电阻上流过的电流很小，可忽略，它们上面消耗功率远远小于额定功耗１／ＳＷ 的２／３。 电容Ｃ２００容量为３３ＰＦ时，流过的电流很小，可忽略，他们上面消耗功率 远远小于额定功率１／８Ｗ的２／３。 （５）激光源及激励电路，主要由三极管Ｄ８８２、激光光源ＬＡＳＥＲ ＬＥＤ、电 阻Ｒ２０８、电容Ｃ２４５，Ｃ２４６，Ｃ２４７，Ｃ２４９、电感Ｌ２０１，Ｌ２０２等组成。 Ｄ８８２夕ｂ／Ｊｎ电压为５Ｖ，远小于最大电压４０Ｖ的２／３，工作电流６０ｍＡ，消耗功 率为３００ｍＷ小于额定功率１．２５Ｗ的２／３。 Ｕ２０８外加电压为２．７Ｖ，工作电流为６０ｍＡ，工作在放大区，消耗功率为 １６２ｍＷ远小于额定功率１．２５ｍＷ的２／３。ＬＡＳＥＲＬＥＤ外加电压为１．７Ｖ，工作电流为６０ｍＡ，消耗功率为１０２ｍＷ。电阻上流过的电流很小，可忽略，它们上面消耗功率远远小于额定功耗１／８Ｗ 的２／３。电容Ｃ２４５、Ｃ２４６、Ｃ２４７容量都为ｌＯＵＦ，两端的电压低于５Ｖ，远小于最小 点燃电压５０Ｖ，安全系数Ｋ＝５０／５＝１０＞１．５。 电感Ｌ２０１，Ｌ２０２容量都为１０ｍＨ，流过的电流为０．６Ｖ／２个电感的感抗２８欧－－０．０２Ａ，远小于最小点燃电流０．１Ａ，安全系数Ｋ＝０．Ｉ／０．０２＝５＞１．５。（６）光电二极管接收电路，主要由两个ＴＬＣ２７７２、光电二极管ＬＥＤ电阻Ｒ２５８、电容Ｃ２３９等组成。ＲＸ、ＴＬＣ２７７２外加电压为１０Ｖ，工作电流极小，消耗功率极小，可忽略不计。ＬＥＤＲＸ光电二极管，工作电流极小，消耗功率极小，可忽略不计。电阻上流过的电流很小，可忽略，它们上面消耗功率远远小于额定功耗１／ＳＷ３９武汉理工大学硕士学位论文的２／３。 （７）数码管显示、声光报警、红外遥控及频率输出电路，主要由单片机ＳＳＴ８９Ｅ５６４Ｉｍ、３个共阴数码管、蜂鸣器、ＬＥＤ、ＨＳ００３８、ＢＬ９１４９、电阻Ｒ２２１、电容Ｃ２０２等组成。ＳＳＴ８９Ｅ５６４Ｉｍ外加电压为５Ｖ，工作电流极小，消耗功率极小，可忽略不计。数码管外加电压为５Ｖ，工作电流为５０ｍＡ，消耗功率为２５０ｍＷ。蜂鸣器外加电压为１８Ｖ，工作电流为３０ ｍＡ，消耗功率为５４０ ｍＷ。 ＬＥＤ外加电压为９Ｖ，－Ｉ－作电流为２０ ｍＡ，消耗功率１８０ ｍＷ。ＨＳ００３８、ＢＬ９１４９多＇ｌ，／Ｊｎ电压为５Ｖ，工作电流极小，消耗功率极小。 电阻上流过的电流很小，可忽略，它们上面消耗功率远远小于额定功耗１／８Ｗ 的２／３。 （８）锁相、倍频信号处理电路，主要由ＭＬＴ０４、运放ＯＰ２７、ＡＤ７９７、电 阻Ｒ１１７、电感Ｌ１００，Ｌ１０１等组成。ＭＬＴ０４外加电压为．５Ｖ＿５Ｖ，小于额定电压．１８Ｖ一１８Ｖ的１／３，工作电流极小，消耗功率极小，可忽略不计。 ＯＰ２７外加电压为．５Ｖ．一５Ｖ，小于额定电压一２２Ｖ―２２Ｖ的１／３，工作电流极小， 消耗功率极小，可忽略不计。ＡＤ７９７外加电压为．５¨Ｖ，小于额定电压．２２Ｖ．２２Ｖ的１／３，工作电流极小，电阻上流过的电流很小，可忽略，它们上面消耗功率远远小于额定功耗１／８Ｗ消耗功率极小，可忽略不计。的２／３。 电感Ｌ１００容量为１５０ｒｎＨ，流过的电流低于１００ｕＡ，远小于最小点燃电流０．１Ａ，安全系数Ｋ＝０．１Ａ／１００ｕＡ＝１０００＞１．５。 我国国家标准ＧＢ３８３６．４’一２０００规定正常工作情况下的安全系数不低于１．５， 通过上面对每个元器件的详细计算说明本系统的设计完全符合国家标准，达到了本质安全型防爆的要求。３．４．１１传感器结构设计光纤甲烷传感器的外型为长方体结构， 机壳采用不锈钢材料冲压而成，前 后盖合缝处为能防尘、防水的橡胶密封圈， 下部为装有传感气室、防尘装置。武汉理』大学硕士学位论文顶部由高亮度红色发光管组成的报警划组，中部的声报警为有源蜂鸣器。显示 窗山３位七段红色数码管和一体化红外接收头组成，整个设计新颖美观、体，ｊ、 量轻、调节方便。光纤甲烷检测仪外型结构示意图如图３．３７所示：图３－３７光纤甲烷检测仪１报警灯２铭牌３航空插头４传感气室５、６进气出气口７蜂呜器８显示窗９提手 光纤甲烷传感器的传感部分是指气窜。它由输入、输出透镜组成。从光纤中出射的光，经输入透镜准直变为平行光，穿过气室，出另透镜耦台到输入 光纤中。光通过气定时由于甲烷气体的存在而发生强度的衰减。 气审的结构是圆筒形，两端用光滑玻璃Ｊ｛密封。其结构特点是内壁光洁，不吸收红外线，不吸附气体，化学性能特别稳定。气宅内壁的光洁度对仪器的灵敏度影响很人，为了减少反射，还要求气室的轴线与红外线平行。 对于气室的选择要尽可能的增加吸收路径的长度，尤其是气体浓度较小时，更有利ｒ提高传感器测量的灵敏度。气窀的主要设计原则：Ｊ是吸收光程尽可能大，：＝是气室中光路的耦合损武汉理工大学硕士学位论文耗小，耦台状态稳定。本研究中进行系统实验时采用气室长度为Ｌ＝ｌｌｃｍ，内径为２３ｒａｍ，体积Ｖ≈４６ｍｌ。传感气室结构图如图３．３８所示。图３．３８传感气室结构图３５信号处理部分的设计嵌＾式处理器是智能仪表的核心，其优越的性能使仪表的电路设计变得简洁、可靠。处理器的选择没有唯一的答案，设计者需要综合考虑，选择适合产 品设计要求和自己最熟悉的嵌入式处理器。下面列出选择嵌入式处理器可以采取的一些步骤和遵循的原则： １．够用原则 通常嵌入式处理器很少升级，因此设计嵌八式系统时，为嵌八式处理器的 处理能力留出很大的余量是很不经济的。通常给出很小的余量即可。 ２成本原则选择嵌入式处理器所考虑的成分不仅仅包括处理器本身，还包括外围电路、 印刷电路板的成本，特Ｓ４是设计成本敏感型的产品更是如此。３参数选择参数选择通常比较复杂，首先确定设计者对处理器的需求．然后可以设计 个表格，表格上面列出满足条件的处理器的特性和价格，通常包括下面的内 容：处理器的类型、处理速度、总线宽度、片上集成的存储器情况、片上集成 的Ｉ／Ｏ接口的种类和数量、操作系统的支持、开发工具的支持、行业用途、功耗 特性、价格和行业的使用情况等。武汉理工大学硕士学位论文本文中信号处理部分包括ＡＲＭ处理器和单片机。直接反映气体浓度的电信号经ＡＤ转换为数字信号后送到ＡＲＭ处理器里做数据处理，处理完成的数据通 过串口，一方面送给单片机，由单片机控制数码管显示；一方面送给计算机， 供系统标定时使用。同时，ＡＲＭ处理器还需要产生光源驱动所需要的锯齿波、 正弦信号和锁相放大器参考方波信号。综合考虑，选择了分析目前应用广泛的ＡＲＭ７系列处理器和ＭＣＳ．５１系列 单片机。并根据系统功能需要，本系统最终选择了Ｓａｍｓｕｎｇ公司的Ｓ３Ｃ４４ＢＯＸ处理器和ＳＳＴ公司的ＳＳＴ８９Ｅ５６４单片机。 Ｓ３Ｃ４４ＢＯＸ各种片上功能介绍如下【４７】： ●２．５ＶＡＲＭ７ＴＤＭＩ内核，带有８ＫＢ的高速缓存器 ●外部存储器控制器 ●２通道通用ＤＭＡ、２通道外设ＤＭＡ，并具有外部请求引脚 ●２通道ＵＡＲＴ带有握手协议和ｌ通道ＳＩＯ●１通道多主１２Ｃ总线控制器●５个ＰＷＭ定时器和１个通道内部定时器 ●看门狗定时器 ●７１个通用Ｉ／ｏ口，８通道外部中断源 ?功耗控制具有普通，慢速，空闲和停止模式 ●８通道１０位ＡＤＣ●具有日历功能的ＲＴＣ●具有ＰＬＬ的片上时钟发生器 本文使用Ｓ３Ｃ４４ＢＯＸ具体实现以下功能： １）利用ＤＡ转换产生调制斜波。２）ＡＤ采样，数据处理。 ３）利用定时器产生方波，以转换成光源驱动所需的高频正弦。 ４）利用定时器产生锁相放大器参考方波信号。 ５）串口通信，分为两部分：一方面在工作状态中将数据送到单片机，用单 片机控制数码管显示数据；一方面在标定状态中用串口与计算机通信。本系统所使用的单片机是ＳＳＴ８９Ｅ５６４。可实现的功能配置如下： ?片内用户程序空间可达７２Ｋ４３武汉理工大学硕十学位论文? ?片内ＥＥＰＲＯＭ数据存储容量可超６４Ｋ ５个通道的ＰＷＭ信号输出，可实现５路的Ｄ／Ａ数模转换●６＋ＵＡＲＴ串口．让产品的通讯功能更加灵活，省掉昂贵的串口扩展芯片 ●ｌ＋ｓｒ，ｉ串口◆ ? ?内嵌电压检测电路，节省外部的电源管理及复位芯片 在线编程功能，ＥＡＳＹＩＡＰ工具软件，让开发工程师省掉编程器．程序和数据存储空间互补利用，用户程序剩下的ＦＬＡＳＨ空间，均可作为数据 存储，超级灵活本文使用ＳＳＴ８９Ｅ５６４主要实现以下功能： １）数码管显示浓度数据。２）接收红外遥控器按键输入，完成传感器报警点的设定和存储。 ３）将浓度数据转换为２００―１０００Ｈｚ的频率信号。这是由于矿井下主要使用 ２０肛１０００Ｈｚ的频率信号进行通信。４）甲烷浓度超标时进行声光报警。 信号处理的基本原理图如图３．３９。、、、，，，。－，＿一●一。－●‘－●‘…‘－‘－一…‘●●一●●●一●一一●……●●…●一一＿－一‘●●●，‘●＿。●●…‘＿…一一－‘－●＿‘－●一。●一，－…－●●＿，，，，图３．３９信号处理的基本原理图武汉理工大学硕士学位论文３．６系统的软件设计本系统的软件主要包括两部分：ＡＲＭ处理器驱动、数据处理、斜波产生以及串口通讯；数码管显示、频率信号转换发送、声光报警。 ＡＲＭ处理器的软件设计分为两大部分：工作状态和标定状态。其软件流程 图见图３．４０和图３．４１。／／ 、开始ｆ１＼／／／厂 ｆ、开始１＼／／ｉＡＲＭ处理嚣及各设备驱动ｌ――Ｊ二一／、＼ＡＲＭ处理器及各设备驱动ｙ是／，《击接收到釜、、用ＤＡ产生调制斜波１ｒｌ口Ｖ修改原有的标定数据１ ｒ用ＤＡ产生调制斜波＿ＡＤ采样Ｉ将修改后的标定数据写入 ＥＥＰＲＯＭＪｒＡＤ采样奄否删除偏差较大的点ｒｉ进入工作模式弋≯上删除偏差较大的点：‘＼：否ｄ≥ｉ剩余的点求平均得到标定值剩余的点求平均得到浓度值ｉ通过ｕ＾ＲＴ将教据送到单片机一ｌ通过ＵＡＲＴ将数据送到上位机ＩＩ图３．４ｌ ＡＲＭ标定状态流程图图３－４０ ＡＲＭ工作状态流程图４５武汉理工大学硕士学位论文在标定过程中，采用超级终端接收ＡｕＲＭ处理器通过串口发送过来的标定所需的数据。向气室里充入０．５％标准甲烷气体，得到的标定所需数据如图３．４２中上部分所示。当吹空气室内甲烷气体后，得到的在无甲烷气体情况下的标定所需数据如图３．４２下部分所示。在ＡＲＭ程序中规定：“ａａａａａａａａａａａａ”是起始符， “Ｏ．１７８”是二次谐波分量与光强直流分量比值（标定所需数据），“９４．２７”是光强直 流分量值，“３０．２７”是仪表内温度传感器所测量的温度值。“ａＳ？”是终止符。 奄Ｄ宦”一固匀疆此数据是标定所需要 的数据（０．５％甲烷）零幻舀冒７８０９４．１７０３０．３７ａ￥？ａａａａａａａａａａａａ０．１７８飘．２７０３０．２７ａ￥？ａａａ占石右石石石石石石日●１７９石９百●２８百了可．２７０５７ａａａａａａａａａａａａ０．１７９０９４．２２０３０．３２ａ￥？ａａａａａａａａａａａａ０．１８８ａ９４．２００３０．３２ａ￥？ａａａａａａａａａａａａ０．１ ８００９４．１９０３０．３２ａ￥？ａａａａａａａａａａａａ０．１８８０９４．２７０３０．３７ａ￥？ａａａａａａａａａａａａ０．１８００９４．１９０３０．３７０５ ７ａａａａａａａａａａａａ０．１８０ａ９４．２９０３０．３７ａ￥？ａａａａａａａａａａａａ０．１８０ａ９４．２４０３０．３７ａ￥？ａａａａａａａａａａａａ０．１ ８００９４．１９０３０．３７ａ￥？ａａａａａａａａａａａａ０．１８００９４．２４０３０．５１ａ￥？ａａａａａａａａａａａａ０．１７９０９４．３１０３０．４１０５ ７ａａａａａａａａａａａａ０．１７７０９４．３５０３８．５１ａ￥？ａａａａａａａａａａａａ０．１８００９４．２１０３８．‘６ａ￥？ａａａａａａａａａａａａ０．１ ７７０９４．１５０３８．５１ａ￥？ａａａａａａａａａａａａ０．１７７ａ９４．１４０３０．６．１ａ￥？ａａａａａａａａａａａａ０．１８３０９４．２９０３８．３２０￥ ？ａａａａａａａａａａａａ０．１７５０９４．２５０３８．２２ａ￥？ａａａａａａａａａａａａ０．１８００９４．３３０３８．３７ａ￥？ａａａａａａａａａａａａ０．１ ７９０９４．１８０３０．３７ａ￥？ａａａａａａａａａａａａ０．１７６０９４．２１０３０．３７ａ￥？ａａａａａａａａａａａａ０．１８４ａ９４．２１０３８．４１ａ￥ ？ａａａａａａａａａａａａ０．１８２ａ９４．２２０３８．‘１ａ￥？ａａａａａａａａａａａａ０．１７８ａ９４．３００３８．３７ａ￥？ａａａａａａａａａａａａ０．１８１０％．１９０３０．３７ａ￥？ａａａａａａａａａａａａ０．１７８ａ９４．２８０３８．３２ａ￥？ａａａａａａａａａａａａ０．１７８０９４．２００３８．４１０５７ａａａａａａａａａａａａ０．１８１０９４．２５ａ３８．‘１ａ￥？ａａａａａａａａａａａａ０．１７９ａ９４．２６０３８．３７ａ￥？ａａａａａａａａａｄａａ０．１ 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