基于光谱吸收的甲烷传感器研究.ppt

基于光谱吸收的甲烷检测技术研究中科院合肥智能机械研究所主要内容u基本原理u调制技术u传感系统u光电转化u前置放大及滤波u锁相放大一、基本原理CH4分子结构CH4分子振动-转动光谱基频吸收带的吸收谱：3.31μm和7.66μm 泛频吸收带的吸收谱：1.6654μm 组合频吸收带的吸收谱：1.3312μm振动模式基本原理其中： ——输入/出光强C ——气体浓度L ——气体吸收光程g（λ） ——气体吸收系数nLAMBERT-BEER定理 ：当气体浓度、光程均很小的时候，可以近似为：技术方案二、调制技术——光源强度调制输入光强度： 输出电信号：其中：激光器信号调制信号气室长度 L气体浓度 CØ 调制强度m不易过大，否则会影响光源频率的变化； Ø 在信号处理中利用窄带滤波提取频率为调制频率的信号，这样可以在一定的程度上消除光源功率波动的影响调制技术——光源频率调制锯齿波调制函数 输出信号傅立叶级数展开，得 ： 一次谐波二次谐波二次谐波和直流成分或一次 谐波的比值作为系统的输出，与 气体浓度信息成比例关系，与光 源的输出功率无关，可以消除光 源波动等干扰的影响。

调制技术——吸收系数调制n调制气室内的气体压力，可以实现气室内气体浓度的调制；在气体 腔室内形成驻波，使其中任意点的气压按调制频率做有规律的变化 经调制后的气体浓度经转化、滤波后得Ø 这种检测方法的抗干扰能力较强，但是，在体积较小的气室中形成驻波，振幅较小，不利于提高检测系统的信噪比调制技术——电路设计光源驱动电路稳定 电流抑制 温漂调制技术——电路设计通过R3调节频率正弦波发生电路二、传感系统——气室燕山大学所做气室棱镜气室结构（固定/可调 ）气室设计方案多重反射腔设计θ 2θ 4θ6θ8θ4θ4θd通过多重反射，增加气体的有效吸收路程，提高传感 器的灵敏度三、光电转化——器件Ø 光谱匹配Ø 线性检测Ø 高灵敏度Ø 响应时间Ø 电气匹配Ø 稳定性好PIN光电二极管结构输出特性曲线光电转化——电路设计与R1并联的C1是一个pF级 的电容，其作用是防止运 放的振荡OPA129为双电 源工作，正负电源引脚分 别为7脚和5脚，每个引脚 要接入两个0.luF的小容量 电容(C2、C3)进行高频滤 波为防止产生振荡与噪声 干扰，电路中接入了C4和 C21两个旁路电容为避免 数字信号对微弱模拟部分 的干扰，在数字电源和模 拟电源以及数字地和模拟 地之间用磁珠(B1、B2)隔 离，防止高频信号涌入模 拟部分。

四、前置放大及滤波电路常规电路T型网络结构优点：电阻网络的不同阻值变化直接决定了该放大器的增益，这种电阻比值结构决 定的放大器精度高、稳定性好同时由于反馈电阻扩展了(1+Rx/R2)倍，可以减少热 噪声的影响，也可以减少对运放输入偏置电流的影响不足：当单通道输入的时候，若输入为不稳定的误差信号时，不稳定的误差信号就 会直接影响输出端，从而导致电路稳定性下降前置放大电路差分放大温度补偿前置放大电路——多级放大滤波电路有源带通滤波器有源低通滤波器有源高通滤波器五、锁相放大锁相，就是实现相位同步；锁相环（PLL）是一种能使两 个信号的相位保持同步的闭环系统主要包括：相位比较器（PD）、低通滤波器（LPF）、压 控振荡器（VCO）、负反馈电路（运算器）锁相放大集成锁相环逻辑框图锁相放大相位比较器压控振荡器锁相放大AD630锁相放大电路。