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1總體方案

煤礦示蹤氣體光學(xué)檢測儀器總體方案圖如圖1，光源產(chǎn)生的紅外光束經(jīng)光調(diào)制器后變成脈沖式光束，脈沖光束穿過充滿待測氣體的光增強腔，光聲檢測器用于測量光學(xué)腔內(nèi)光脈沖強度，反饋環(huán)節(jié)用于放大調(diào)整光源。由于增強腔鏡的距離與光波長產(chǎn)生共振，引起光增強腔內(nèi)壓力變化，產(chǎn)生聲學(xué)駐波，信號處理環(huán)節(jié)拾取聲學(xué)駐波強度，將聲波轉(zhuǎn)換為電信號，其信號強度與待測六氟化硫氣體濃度存在近似于指數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，通過單片機運算即可確定六氟化硫氣體濃度。

2實現(xiàn)方法

1)光源。根據(jù)紅外段六氟化硫氣體的吸收特性和高精度遷移分子吸收數(shù)據(jù)庫，六氟化硫在500～1600cm－1段都有較明顯的吸收譜線圖，中紅外可調(diào)諧激光光源在性能上比較理想，但價格昂貴，難以推廣應(yīng)用，綜合考慮煤礦井下干擾氣體種類、成本和發(fā)光效率等因素，選用的是中心波長為1000cm－1的碳化硅黑體光源，聯(lián)合中心波長為1000cm－1，狹縫寬度為±200cm－1的濾光片，配合紅外相關(guān)氣體濾波室，即可以得到純凈、穩(wěn)定適用、成本適中的紅外光源［4］。2)光調(diào)制器。檢測速度是儀器效能評估的關(guān)鍵指標(biāo)之一，常規(guī)光學(xué)檢測儀器的光調(diào)制器通過周期性的阻塞連續(xù)光產(chǎn)生脈沖光，在2個脈沖之間，調(diào)制光的光強度是0，反饋信號中斷導(dǎo)致腔鎖定機制慢，儀器檢測速度很低，難以滿足煤礦用戶實際需求，因此截斷器如何有效的間斷地開啟反饋信號是提升儀器檢測速度的關(guān)鍵［5］。為此，采用使光強度不降到0的方案，使調(diào)制光的強度在較高與較低之間進行切換，在光強度較低時間段，光強度略大于0，確保反饋信號不中斷，從而縮短反饋回路的響應(yīng)時間。

截斷器結(jié)構(gòu)圖如圖2，截斷器用于將連續(xù)光束調(diào)制為非零脈沖光束，其主體結(jié)構(gòu)設(shè)計為旋轉(zhuǎn)圓盤，由透射系數(shù)略高于0的低透射部分和透射系數(shù)大致等于l的高透射部分組成［6］。截斷器以恒定角速度旋轉(zhuǎn)，在低透射部分上時，阻塞了光的大部分，通過截斷器后的光強度較低，只會激發(fā)氣體中的極少部分氣體分子，但為檢測器反饋信號已經(jīng)足夠了，在高透射部分上時，通過截斷器之后的光強度較高，會激發(fā)了氣體中的許多分子，導(dǎo)致熱能增加，引起氣體室中壓力局部上升，為光聲檢測器提供檢測信號。3)光聲檢測器。紅外光檢測器設(shè)計受成本、尺寸、封裝形式等因素制約，以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的紅外線檢測技術(shù)通過芯片級的封裝工藝，實現(xiàn)了器件的高精度、低成本和小型化，為闡述的技術(shù)提供了器件支撐，通過優(yōu)化增強腔數(shù)學(xué)解析模型，得到光聲信號與氣體濃度、溫度和腔結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系［7］，結(jié)合MEMS技術(shù)，研制了光聲基于光聲檢測原理的配套檢測器。4)反饋環(huán)節(jié)。反饋環(huán)節(jié)由分光器、偏振檢測器和反饋回路等組成，用于測量輸出鏡輸出的光強度，通過反饋回路修正光頻率，使光波長與增強腔的諧振頻率基本一致，難點在光檢測器中用于微弱信號處理的鎖相放大器設(shè)計，鎖相放大器利用待測信號和參考信號的互相關(guān)檢測原理實現(xiàn)信號處理，能夠在較強的噪聲中提取有效信號，在微弱信號檢測方面優(yōu)勢明顯。設(shè)計的鎖相放大器的基本結(jié)構(gòu)包括信號通道、參考通道、相敏檢測器和低通濾波器等，鎖相放大器的基本結(jié)構(gòu)圖如圖3，信號通道對調(diào)制正弦信號輸入進行放大，將微弱信號放大到足以推動相敏檢測器工作，并濾除部分干擾;參考通道對參考輸入信號進行調(diào)整，以適應(yīng)相敏檢測器對信號幅度的要求，并對參考輸入信號進行移相處理，以使檢測結(jié)果達到最佳［8］。

3整機集成

煤礦示蹤氣體光學(xué)檢測儀器整機結(jié)構(gòu)示意圖如圖4，儀器信號采樣及控制單元主體結(jié)構(gòu)原理圖如圖5，儀器電源原理圖如圖6。光源用于產(chǎn)生中心波長為1000cm－1左右的可調(diào)制紅外光;光調(diào)制器用于周期性地中斷光源發(fā)出的光束，將連續(xù)的紅外光調(diào)制在特定“截斷”頻率上的一系列脈沖光;在包含半透明鏡的光學(xué)腔內(nèi)，氣體室允許氣體通過氣體入口和氣體出口流動穿過，并在輸入鏡之前設(shè)置光隔離器，以減小從光源到腔鏡反射，脈沖光通過輸入鏡，進入到光學(xué)腔，在腔鏡間穿過待測氣體多次反射，六氟化硫氣體分子周期性吸收紅外光吸收紅外光能量，將氣體分子激發(fā)到更高能級，導(dǎo)致氣體分子熱能增加，氣體室內(nèi)壓力上升，其后在下一個脈沖到達前減小壓力;反饋回路通過偏振檢測器測量光學(xué)腔中光強度，通過鎖相放大器放大、調(diào)整和拾取有效測量信號，并回饋給光源，光源根據(jù)反饋信息將光波長調(diào)諧到與2個腔鏡之間的距離產(chǎn)生共振;光聲檢測器安裝在氣體室中心處，拾取由吸收光在氣體中產(chǎn)生的聲波，將聲波轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù)信號強度，調(diào)制光調(diào)制器的旋轉(zhuǎn)速度，領(lǐng)共振頻率與脈沖光截斷頻率相匹配，使壓力變化產(chǎn)生截斷頻率上的聲學(xué)駐波，其信號強度與待測六氟化硫氣體濃度存在近似于指數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，通過單片機運算即可確定六氟化硫氣體濃度。

4結(jié)語

腔增強吸收光譜檢測技術(shù)是一種新型的吸收光譜技術(shù)，設(shè)計的測量系統(tǒng)，測量了六氟化硫的吸收光譜，結(jié)果表明，基于腔增強原理開發(fā)的光譜檢測儀器相比與基于直接吸收光譜原理的檢測儀器，機械結(jié)構(gòu)同樣簡單，而在檢出限和靈敏度這2個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上，前者分別到了后者無法比擬達的6×10－9和靈敏度1×10－9，接近了傅里葉光譜分析儀等大型復(fù)雜光譜設(shè)備的水平，可以用于六氟化硫等微量氣體吸收光譜方面的測量。

作者：馮文彬 單位：煤科集團沈陽研究院有限公司 煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室