大气监测中光纤气体传感器灵敏度的自动设定

第+’卷第"期

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大气监测中光纤气体传感器灵敏度的自动设定

肖韶荣

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!高志山!!朱日宏!!金建

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#!$南京理工大学电光学院!江苏南京"!%%&’""(南京信息工程大学电子工程系!江苏南京"!%%’’)

摘要#基于直角棱镜构成的吸收池用于大气监测光纤气体传感器中!探测光束在吸收池内往返的次数!与过两个直角棱镜各自直角棱的对称面的间距"有关!通过调节间距"实现测量灵敏度的调节$以吸光度差作为输出量!根据其值的不同!选择不同的间距"$在单片机系统控制下!由步进电机实现间距"的自动给定!同时将输出探测光束接收器送到指定位置$采用消色差透镜作为输出光束的接收透镜!则间距"的调节精度对传感器灵敏度设定的影响可不考虑$

关键词%光纤气体传感器"

灵敏度调节"

单片机控制技术

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!引言

用于大气实时监测中的光纤光谱吸收式气体传

感器的检测灵敏度除了与光电器件的灵敏度和后续电子线路的性能参数有关外!主要决定于监测区域探测光束与待测气体的相互作用长度"在大气监测系统

!!!!收稿日期#"%%’2%’2%,#修订日期$"%%’2%,2!,

]基金项目#江苏省高校自然科学研究计划基金资助%%"^F_,!%%%3&

作者简介#肖韶荣%!&,42&!男!江西新干人!教授!硕士!主要研究方向为激光技术应用与信号处理"

第!期

肖韶荣等!大气监测中光纤气体传感器灵敏度的自动设

定!?E

中!对于清洁大气!探测光束经过被测区域后!光强度的改变十分微弱!此时进入光电探测器的光强虽然很大!但光强的改变量却难于检测"为提高检测灵敏度!常采用折返式吸收池来增加光在吸收池内的有效程长"而在浓雾天气!雾粒子的散射作用使得探测光强迅速减弱!光强的变化很大!光电探测器接收到的光强处于弱信号状态"虽然通过提高监测系统测量放大电路的放大系数可以改善灵敏度!但这需要性能优越的低噪声放大器"在户外!温度变化频繁且幅度较大!低噪声电子线路受温度影响较大"被测量的检测是通过测量光强的变化量实现的"检测过程中!希望有明显的光强变化而不希望光强成为微弱信号!而通过缩短光与待测气体的作用距离!即可提高进入探测器的入射光!从而提高测量系统的信噪比!降低对电子线路的性能要求"为适合实时测量!需要通过调节光与被测气体的相互作用距离实现灵敏度的自动调节"

典型的光学吸收池结构有"#$%&’()型#*&++$,%%’!)型及各种改进型"一旦确定了吸收池结构参数!探测光束在吸收池内的有效光程亦被确定!很难调节"采用一种基于直角棱镜构成的吸收池’-)!可以很方便地调节其内探测光光程!本文介绍了一种适合此吸收池的自动调节探测光光程的方法"

!!!又被!!反射!再次垂直入射到!(!如此在!(#!!间多次往返!再由输出光纤输出"为讨论方便起见!把沿图中所示方向传播的光束称为前向光束"应注意的是!当光束往返次数为偶数时!光束将在入射光束附近沿相反方向输出!此光束称为反向光束"

!"#传感器的光传输特性

探测光束在吸收池内往返的次数#与过直角棱镜!(#!!各自直角棱的两对称面的间距$有关"在光束直径比间距$小时!探测光束在吸收池内往返的次数#为’?)$

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式中%为入射光束到直角棱镜!(底部?B!角棱边的距离"调节间距$!即可调节探测光束在吸收池内往返的次数#"

探测光束在吸收池内的有效光程为$

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式中’为直角棱镜!(#!!的两个底面"(#"!间的距离"吸收池输出光的强度为从吸收池输出的前向光束的强度(9%#&与探测光束每次穿过界面"(#"!反射光强度(+%$&之和!可表示为$

!大气监测气体传感器结构和工作原理

!"!传感器吸收池结构

图(是基于.!"(/0!直角棱镜的气体吸收池的结构原理图!两个相同直角棱镜!(#!!的两个底面

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前向光束的强度为$

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"(#"!平行放置!构成吸收池"探测光束经输入光纤

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在实际应用中!令其中一个直角棱镜略倾斜!使前向光束与反射光束分离!在测量光束接收端!利用光纤端面作为孔径光阑限制非近轴光束即反射光束等进入探测器’B)"因此!输出光束仅为前向光束!即输出光强为$

图(基于直角棱镜的光纤光度传感器气室结构图

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公式%B&为基于直角棱镜构造的吸收池的光强传输方程!即单波长测量方式的测量方程"

传送到准直装置!经准直后成为细平行光束!垂直入射到直角棱镜!(!由!(反射后!垂直入射到直角棱镜

!"$差分测量方式传感器的灵 …… 此处隐藏：6135字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……