李志剛，陳海永，詹自力，王書(shū)潛，鄭國(guó)鋒

(1.河南漢威電子股份有限公司 國(guó)家認(rèn)定企業(yè)技術(shù)中心，河南 鄭州 450001；2.鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

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車載甲烷巡檢儀的光路優(yōu)化設(shè)計(jì)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

李志剛1，陳海永1，詹自力2，王書(shū)潛1，鄭國(guó)鋒1

(1.河南漢威電子股份有限公司 國(guó)家認(rèn)定企業(yè)技術(shù)中心，河南 鄭州 450001；2.鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

多次反射腔體是激光吸收光譜氣體傳感器的核心組件，其結(jié)構(gòu)和性能直接影響到整個(gè)設(shè)備的靈敏度和穩(wěn)定性.分析了White腔、Herriott腔、CEAS腔等國(guó)內(nèi)外主要應(yīng)用的多次反射腔體的設(shè)計(jì)方案和工作原理，設(shè)計(jì)和制作了96次反射腔體，并應(yīng)用在車載激光甲烷巡檢儀上.通過(guò)燃?xì)夤镜膶?shí)際應(yīng)用表明，該設(shè)備極大地提高了燃?xì)庋矙z的效率，縮短了燃?xì)庋矙z的周期，有效地減少了爆燃事故的發(fā)生.

激光吸收光譜技術(shù)；多次反射腔體；White腔；Herriott腔；車載；燃?xì)庑孤┭矙z儀

0　引言

近幾年來(lái)，由于天然氣管道泄漏導(dǎo)致事故頻發(fā)，造成人民生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失.目前，國(guó)內(nèi)燃?xì)夤芫W(wǎng)主要通過(guò)人工攜帶便攜儀沿燃?xì)怃佋O(shè)管道巡檢，效率低，巡檢周期長(zhǎng).為了預(yù)防和避免事故的發(fā)生，需要研發(fā)一套高效的甲烷泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，迅速準(zhǔn)確地測(cè)量道路上甲烷的含量.

采用激光光譜吸收技術(shù)研制的巡檢儀[1]具有反應(yīng)速度快、靈敏度高、抗氣體干擾等特點(diǎn)，適用于車載巡檢設(shè)備快速、高效的需要.多次反射腔體是這種巡檢儀的核心組件，其性能將影響到整個(gè)設(shè)備的靈敏度和穩(wěn)定性.

當(dāng)一束光強(qiáng)為I0的光通過(guò)待測(cè)氣體時(shí)，如果光源覆蓋該待測(cè)氣體的吸收譜線，在相應(yīng)的譜線處發(fā)生光強(qiáng)衰減.根據(jù)比爾-朗伯特(Beer-Lambert)定律[2]，出射光強(qiáng)I與入射光強(qiáng)I0關(guān)系為

I=I0·exp[-α(v)CL].

(1)

式中:α(v)為氣體吸收系數(shù)；L為光通過(guò)待測(cè)氣體的光程；C為待測(cè)氣體的濃度.在近紅外波段，氣體的吸收系數(shù)很小，滿足α(v)CL?1，將式(1)傅里葉展開(kāi)為

I2f∝α(v)CL.

(2)

式中：I2f為二次諧波信號(hào).可以看出，二次諧波信號(hào)和濃度成正比，同時(shí)也與氣體通過(guò)的光程成正比.為了提高檢測(cè)靈敏度，需要增加激光通過(guò)氣體的光程[3-4].為了增加通過(guò)氣體的激光光程，出現(xiàn)了幾種多次反射腔體，主要有White腔[5]、Herriott腔[6-9]以及CEAS腔[10]等.White腔采用3個(gè)曲率半徑相同的球面凹面反射鏡，光束在3個(gè)反射鏡之間來(lái)回反射，適用于大孔徑紅外光的入射，由于需要采用3個(gè)反射鏡，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差.傳統(tǒng)的Herriott腔采用兩個(gè)曲率半徑相同的球面凹面反射鏡，同軸平行放置.若光線以特定角度入射，就會(huì)在兩個(gè)鏡面間來(lái)回反射. CEAS (cavity-enhanced absorption spectroscopy)腔是近年來(lái)出現(xiàn)的一種腔體， 由于不適用車載設(shè)備，此處不再研究.Herriott腔僅需要兩個(gè)反射鏡，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且對(duì)機(jī)械擾動(dòng)具有固有的穩(wěn)定性.但是傳統(tǒng)的Herriott腔存在結(jié)構(gòu)上的缺陷，筆者對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，作為車載甲烷巡檢儀的多次反射光路.

1　多次反射腔體設(shè)計(jì)

兩個(gè)凹面反射鏡同軸平行放置，當(dāng)滿足以下條件時(shí)，光線就會(huì)在兩個(gè)鏡面間來(lái)回反射.經(jīng)過(guò)N次反射后，從入射點(diǎn)射出，光斑在鏡面上呈圓周均勻分布.

N·θ=2mπ.

(3)

d/R=1-cosθ.

(4)

N=2pm+k.

(5)

式中：N表示總的反射次數(shù)；θ為相鄰次數(shù)光斑之間的夾角(投射到同一個(gè)反射鏡上)；m為完成N次反射需要走過(guò)m個(gè)2π周期；d為兩個(gè)凹面鏡之間的距離；R為凹面鏡的曲率半徑；p為每個(gè)鏡子上每個(gè)周期里的光斑數(shù)；k=±2,±4,…，±2n.

采用曲率半徑R=1 300 mm的凹面鏡,每個(gè)周期里有5個(gè)點(diǎn)，即p=5.同一個(gè)鏡面上兩個(gè)相鄰光斑之間的夾角為2θ，假設(shè)之間分布10個(gè)點(diǎn)，則式(6)成立，取m=10，則變?yōu)槭?7).

(6)

(7)

根據(jù)式(5)得出θ=36.73°，根據(jù)式(4)得出d=258.162 3 mm.

綜上可知，R=1 300 mm，d=258.162 3 mm，{N,m,k,p}={98，10，-2，5}.

根據(jù)Herriott腔體的重入條件，光線以36.73°入射，則光線在兩個(gè)反射鏡中間反射98次以后，從入射點(diǎn)射出.如果在入射鏡的適當(dāng)位置開(kāi)孔，則可以在光線進(jìn)入入射點(diǎn)之前把光線引出.否則采用傳統(tǒng)的Herriott腔體，由于入射點(diǎn)和出射點(diǎn)是在同一點(diǎn)，且二者的夾角很小，若要避免準(zhǔn)直器和探測(cè)器在結(jié)構(gòu)上的干涉，如圖1所示，則L就要很大，結(jié)構(gòu)件顯得笨重.因此，在N=96的地方開(kāi)孔，提前把光線引出.這樣，腔體的長(zhǎng)度方向就可以短一些.

圖1　準(zhǔn)直器與探測(cè)器在同一端Fig.1　The collimator and detector at the same end

采用上述方案制作多次反射腔體，在入射孔的位置安裝光纖準(zhǔn)直器，出射孔的位置安裝探測(cè)器.

2　車載激光甲烷巡檢儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由車前采氣單元、車內(nèi)檢測(cè)單元、車內(nèi)控制器、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心4部分組成，如圖2所示.車前采氣單元把道路上的空氣吸到車內(nèi)檢測(cè)單元內(nèi)，車內(nèi)檢測(cè)單元檢測(cè)空氣中甲烷氣體的濃度信息，車內(nèi)控制器顯示、播報(bào)濃度信息，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)把巡檢信息上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心.一旦發(fā)現(xiàn)泄漏事件，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心能及時(shí)協(xié)調(diào)處理.

圖2　系統(tǒng)組成圖Fig.2　Photo of system composition

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，可分為氣路設(shè)計(jì)、光路設(shè)計(jì)和電路軟硬件設(shè)計(jì)等部分，下面分別介紹.

圖3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.3　System design block

2.1氣路設(shè)計(jì)

氣路設(shè)計(jì)主要包括車前采氣單元設(shè)計(jì)、氣泵選型、過(guò)濾器選型等部分.車前采氣單元根據(jù)汽車前保險(xiǎn)杠量身定制，具有流線型的外觀，便于巡檢員駕駛.

由于空氣中含有灰塵和水汽，如果被吸入進(jìn)多次反射腔體，會(huì)污染鏡面，導(dǎo)致反射鏡的反射率降低，因此需要對(duì)灰塵和水汽進(jìn)行過(guò)濾.

2.2電路硬件設(shè)計(jì)

激光器驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)激光器產(chǎn)生所需波長(zhǎng)的激光.激光通過(guò)光纖耦合到多次反射腔體的光纖準(zhǔn)直器里，在腔體里經(jīng)過(guò)多次反射后，到達(dá)接收端.接收端的光電轉(zhuǎn)換電路如圖4所示，包括光電轉(zhuǎn)換與前置放大電路.

光信號(hào)包含了氣體的濃度信息，經(jīng)光電二極管轉(zhuǎn)換成電信號(hào).前置放大電路的目的是把光電二極管輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào).運(yùn)算放大器是前置放大電路的核心部件，其性能指標(biāo)，如頻率響應(yīng)、開(kāi)環(huán)增益、輸入偏置電流以及噪聲性能均對(duì)前置放大電路有重要影響.R是反饋電阻，通過(guò)改變R值，改變光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的大小.

圖4　光電轉(zhuǎn)換電路圖Fig.4　Diagram of photoelectric conversion circuit

經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)，通過(guò)如圖5所示的鎖相放大電路，主要功能是用來(lái)提取反映氣體濃度信息的二次諧波信號(hào).鎖相放大電路[11-12]是利用互相關(guān)原理設(shè)計(jì)的同步相干檢測(cè)器，通過(guò)被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的比較，提取與參考信號(hào)同頻的信號(hào)分量.因此能大幅度地抑制噪聲，提高探測(cè)靈敏度和信噪比.由于要提取的是正弦波的二次諧波信號(hào)，因此參考信號(hào)采用的是正弦波的二倍頻信號(hào).

二次諧波信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路處理以后，由AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送給微處理器進(jìn)行處理，然后通過(guò)顯示部分顯示輸出.當(dāng)有氣體泄漏時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振吸收，通過(guò)提取二次諧波信號(hào)，根據(jù)式(2)就可計(jì)算出氣體的濃度.

圖5　鎖相放大電路Fig.5　Diagram of lock-in amplifier circuit

2.3電路軟件設(shè)計(jì)

微處理器部分的主要功能是測(cè)量氣體的濃度信息，其程序流程圖如圖6所示.

顯示部分的主要功能是接收、顯示MCU數(shù)據(jù)，并在濃度達(dá)到報(bào)警值時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，其程序流程圖如圖7所示.

圖6　微處理器工作流程圖Fig.6　Microprocessor work flow chart

圖7　顯示程序流程圖Fig.7　Display program flow chart

3　試驗(yàn)與結(jié)果分析

采用上述系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室的靜態(tài)測(cè)試結(jié)果如表1所示.由表1可以看出，實(shí)際的測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)氣濃度基本一致，該系統(tǒng)的檢測(cè)精度為1%.

表1　實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果Tab.1　Test results in the lab

把上述系統(tǒng)安裝在汽車上，在某燃?xì)夤具M(jìn)行實(shí)際的巡檢工作.在埋有燃?xì)夤艿赖牡缆飞弦?0 km/h的速度行駛，巡檢儀報(bào)警，體積分?jǐn)?shù)為5×10-6.經(jīng)過(guò)在地面上鉆眼、取樣等進(jìn)一步排查，確認(rèn)為中壓管線斷裂.燃?xì)夤玖⒖膛沙鍪┕り?duì)進(jìn)行搶修，避免了爆燃事故的發(fā)生.

該檢測(cè)系統(tǒng)跟傳統(tǒng)的手持檢測(cè)儀相比，提高了測(cè)試效率和測(cè)試的準(zhǔn)確性，并且降低了人工檢測(cè)成本.采用人工巡檢需要4個(gè)月才能把該城市的燃?xì)夤艿姥矙z一遍，采用車載激光甲烷巡檢儀只需要一周時(shí)間就能完成，縮短了巡檢周期，能夠盡早發(fā)現(xiàn)微小泄漏并及時(shí)搶修，把爆燃事故扼殺在萌芽狀態(tài).

4　結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)了96次反射腔體，該腔體靈敏度高，即使是微小的泄漏也能檢測(cè)到；由于采用激光光譜吸收技術(shù)，其選擇性好，只對(duì)甲烷有反應(yīng)，能有效避免汽車尾氣等其它氣體的干擾.安裝有車載甲烷泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的汽車在行駛時(shí)，實(shí)時(shí)對(duì)道路兩側(cè)的燃?xì)夤艿肋M(jìn)行監(jiān)測(cè)，提高燃?xì)庋矙z效率，縮短巡檢周期，更好地保障燃?xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)行的安全，減小或避免燃?xì)夤芫W(wǎng)爆炸、起火事件的發(fā)生.

[1]尚中鋒，張青云，陳海永，等. 基于車載激光甲烷泄漏檢測(cè)系統(tǒng)[C]//2011中國(guó)儀器儀表與測(cè)控技術(shù)大會(huì)論文集.北京：中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)，2011.

[2]王汝琳，王詠濤. 紅外檢測(cè)技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：27-29.

[3]BRASSINGTON D J. Tunable diode laser absorption spectroscopy for the measurement of atmospheric species [J]．Spectroscopy in environmental science,2001，55：2083-2089.

[4]BARES W L.Tunable Fiber laser source for methane detection at 1.68 μm[J]. Boston. Proceedings of SPIE，Chemical，Biochemical and environmental fiber sensors， 1992， 9(9)：98-109.

[5]WHITE J U. Long optical paths of large aperture[J]. Opt Soc AM,1942，32(5)： 285.

[6]HERRIOTT D R. Kogelnik H, Kompfner R, Off-axis paths in spherical mirror interferometers[J].Appl Opt，1964， 3(4)： 523-526.

[7]HERRIOTT D R, Schulte H J. Folded optical delay lines[J]. Appl Opt，1965， 4(8)： 883-889.

[8]PIERCE J R.Theory and design of electron beams[J].Van Nostrand, 1954,6(2)：194-197.

[9]CHRISTOPHER G, CHRISTOPHER R. Multilaser herriott cell for planetary tunable laser spectroscopy[J]. Appl Opt，2007， 46(28)： 6923-6935.

[10]BAER D, PAUL J, GUPTA M, et al.Sensitive absorption measurements in the near-infrared region using off-axis integrated cavity output spectroscopy[J].Appl Phys,2002,75(2/3):261-265.

[11]高晉占．微弱信號(hào)檢測(cè)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：154-182．

[12]張厥盛，鄭繼禹，萬(wàn)心平. 鎖相技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2002：5-10.

Optical Path Optimization Design and System Implementation of the Vehicle-mounted Methane Inspection Instrument

LI Zhigang1, CHEN Haiyong1, ZHAN Zili2, WANG Shuqian1, ZHENG Guofeng1

(1.National-recognized Enterprise Technology Center, Henan Hanwei Electronics Co., Ltd., Zhengzhou 450001, China; 2.School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Multiple-pass cell is the core component of the laser absorption spectrum gas sensor, and its structure and performance directly affect the sensitivity and stability of the whole device. This paper analyzes the design scheme and the working principle of the mainly used multiple pass cells both at home and abroad, such as White cell, Herriott cell, CEAS cell etc.. This papers also designs and manufactures a 96 times cell, and applies it in a vehicle-mounted laser methane inspection instrument successfully. The practical application of the gas company shows that the instrument greatly improves the efficiency of gas inspection, shortens the period of gas pipeline inspection, effectively reduces the occurrence of deflagration accident.

TDLAS; multiple pass cell; White cell; Herriott cell; vehicle-mounted; natural gas leakage detection

2015-11-10；

2015-12-26

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013BAD17B04)

詹自力(1965—)，男，河南信陽(yáng)人，鄭州大學(xué)教授，博士，主要從事納米材料和氣敏元件研究，E-mail:zhanzili@zzu.edu.cn.

1671-6833(2016)04-0053-04

TN216

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.04.012