基于锁相放大技术光纤气敏计的研究与开发

　　0　引言

　　光纤气敏传感器是近年来迅速发展的新型气敏传感器,它是通过光信号的变化来实现对有关气体的检测,其特点是安全,适合易燃易爆和各种恶劣环境下的气体测定,成为未来气敏传感器发展的主要方向之一。

　　典型的光纤传感器是由光源,光纤,敏感元件和光探测器组成,光纤气敏计的工作原理主要是利用物质荧光,散射,吸收和折射率的特性变化来反映气体成分。其基本原理如图1所示。

　　光纤气敏计是将光源发射的特定波长和特定信号的激励光耦合入光纤,传输至固定的敏感元件,敏感元件在被测气体的作用下使光信号发生变化,从而改变了光信号的传输状态,这种光信号的改变与待测气体的变化具有定量关系,由此反映出待测气体的变化。传输状态发生变化的光信号反馈耦合入光纤,传输到光探测器上。

　　1　光纤气敏计的基本组成与工作原理

　　1.1　光纤气敏计的组成

　　光纤气敏计的组成框图如图2所示。

　　1.2　光纤气敏计信号传感部分工作原理

　　所谓荧光猝灭指的是荧光物质分子与溶质分子之间发生的导致荧光强度下降的物理或者化学作用过程。与荧光物质发生相互作用而引起强度下降的物质,称为物质猝灭剂,猝灭过程实际上是与发光过程相互竞争从而缩短发光分子激发态寿命的过程。光纤气敏计是基于被测气体与固定化试剂直接发生反应的特性,以氧气作为猝灭剂,利用固态荧光试剂与氧气作用产生的荧光猝灭效应测定氧气浓度,通过测量激励光和产生的荧光之间的相位差来实现对荧光的测量。

　　光纤气敏计是基于荧光猝灭效应原理,通过测量荧光寿命来确定氧气浓度的光纤气敏传感器。技术方案上采用脉冲激励LED蓝紫光源照射敏感元件,可以获得相对稳定的荧光信号,再通过荧光测量来确定氧气浓度。我们知道,进入光电二极管的信号光是激励光加上具有指数衰减的特征的荧光,根据频域分析,它相对于激励光在单一频率上具有确定的相位差,所以选用“相位锁定”技术来测量荧光寿命。相对于一般的通过测量荧光强度的测量荧光寿命的方法,这种“相位锁定”具有灵敏度高,抗干扰性强的优点。

　　1.3　光纤气敏计光电转换输出部分工作原理

　　1.3.1　振荡以及光源驱动电路

　　振荡源是实现为光源调制和锁定放大检测的提供参考频率的关键,因为信号调制和特殊频率信号的提取都要用到参考频率信号,因此电路需要频率稳定的方波信号,此电路中采用单片集成锁相环CD4046来产生振荡源,通过电容值的调节,得到不同频率的方波信号,同时由于锁相环路是一个相位负反馈误差控制系统,形成一个闭环的跟踪系统,跟踪输入信号的相位和频率,形成后面的鉴相电路。