近几十年来，伴随着工业的发展，飞速兴起了数以万计的能动力工厂和矿业部门，它们排放出的大量有毒有害甚至易燃易爆的气体严重污染了人类的生存环境和生活空间^[1].而对某些有毒有害气体，必须要求能检测到非常低的体积分数.因此，对微量气体体积分数的快速、实时、高准确度、高灵敏度检测具有非常重大的意义^{[2, 3, 4]}.

光谱吸收型光纤气体浓度检测技术因其良好的鉴别性而受到人们的广泛关注，目前的研究重点是如何提高测量的准确度和灵敏度^{[5, 6, 7]}.文献^[8]提出一种相关光谱检测法，其核心思想是在参考腔中冲入已知浓度的、与待测气体成分相同的气体，并利用该参考气体来挑选测量腔中的待测气体，以解决测量腔中存在多种气体在光源波长范围内均有吸收而引起的交叉干扰问题.在此基础上，为了消除光源功率不稳定及光路干扰等因素的影响， 文献^{[9, 10]}提出了将相关光谱与差分检测相结合的思想，将测量腔和参考腔的输出光信号进行差分处理，以进一步提高测量准确度.

本文在此基础上构建了一个新型的光纤乙炔气体传感系统.采用锁定检测法，对传输光信号进行周期性调制和解调，进一步避免了噪声和杂散光的影响，最终实现了对微量乙炔气体的高灵敏度、高准确度、实时在线检测.

基于相关光谱和差分检测的光纤乙炔气体传感系统如图 1所示.实验过程：激光器发出的光首先经电光调制器被信号发生器输出的正弦信号调制，调制后的光信号通过测量气室后被待测气体吸收.接着进入50∶ 50分光比的耦合器，其中一路经参考气室后被已知浓度的待测气体吸收，然后进入光电探测器，另外一路直接进入光电探测器，2个探测器输出的光同时进入锁相放大器得到两路信号的电压差，该差值将在计算机上显示、存储与处理.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图1 光纤气体传感系统结构框图 Fig. 1 Structure schematic of optical acetylene sensor

根据气体分子在近红外波段的选择性吸收理论，每种气体分子都有固定的吸收谱.若测量系统的光源光谱覆盖一个或多个气体的吸收谱线，光通过气体后其光强就会发生衰减.输出光强I与输入光强I₀之间的关系服从朗伯-比尔定律：

对于本文所设计的系统，设光信号经过测量气室后的输出光强为I+ΔI，其中，I为理想情况下光经过待测气体衰减后的光强，ΔI为杂质气体及外界环境因素引起的输出波动.当耦合器的分光比为η时，其中一臂(含 有参考气室的一路)的输入为I₂=η(I+ΔI),另一臂输入为I₁=(1－η)× (I+ΔI).由于参考气室中装有浓度已知的待测气体，它的衰减系数β是确定的.经过参考腔后探测到的输出为P₂=βηI+ηΔI，另一臂直接由探测器探测到的输出为P₁=I₁.系统经过差分处理后，最终的输出为P=P₂－P₁=(βη－1+η)I+(2η－1)ΔI.选取η=0.5，该式后一项为0，即可同时消除杂质气体和环境因素对测量的影响，进而可以实现对测量腔中待测气体体积分数的高准确度、高灵敏度测量.

实验中选取50∶ 50分光比的耦合器，假设电光调制器的调制幅度为m，测量气室内的气体的体积分数为φ₁，参考气室内的气体的体积分数为φ₂，参考气室和测量气室的长度均为L.则可得出系统的输出结果为

从参考气室和测量气室出来的光信号经光电探测器转换成电压信号.在最后的信号提取过程中，为了消除杂散光的干扰、克服工频干扰、避开1/f低频噪声，采用SR830锁相放大器来实现锁定检测，使输入的待测信号与参考信号具有相同的调制频率，这样两信号便会在相关器中实现互相关，最终将深埋在噪声中的周期信号所携带的信息提取出来.此外，为了实时采集、显示、存储锁相放大器的输出结果，在电脑与锁相放大器之间建立一个串口通信，利用Matlab的GUI工具箱制作一个上位机界面，如图 2所示，实现对锁相放大器输出数据的显示与处理，为气体的实时在线检测提供了可能.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图2 锁相放大器输出显示界面 Fig. 2 Output date interface of lock-in-amplifier

首先检测如图 3a所示的整个配气系统的气密性，并将整个气路系统抽成真空环境.由于氮气在近红外波段没有吸收，因此在实验前首先用氮气对配气室、测量气室、参考气室进行“冲洗”.之后，考虑到实际测量中耦合器的分光比不一定完全等于0.5，调整如图 3b所示的光路和电路系统，使测量光路和参考光路输出的光强相等，此时整个系统的输出定义为“零点”.这样再进行气体体积分数的测量实验，就可以消除耦合器的分光比对测量准确度的影响.最后将1 ‰ ~6 ‰ 乙炔气体通入测量气室，将2 % 乙炔气体通入参考气室，并在上位机上实时记录系统输出值与乙炔体积分数之间的关系.

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图3 测量系统实物图 Fig. 3 Real object of measurement system

由式(2)可知，待测气体的体积分数与系统输出之间的关系为指数函数，对实验数据进行最小二乘法拟合，可以得到如图 4所示曲线，两者之间的函数关系为

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图4 待测气体与锁相放大器输出之间的关系 Fig. 4 Relationship of target gas and output of lock-in-amplifier

从拟合结果可以看出，系统输出与乙炔的体积分数之间具有很好的指数关系(R²=0.9982).所设计的系统可很好地用于气体的体积分数测量.

由式(3)可得系统的分辨力为

由于本系统所采用的锁相放大器能分辨的最小电压变化量为1mV，由此可得系统的理论分辨力为0.15966 ‰ .考虑到系统配气误差，最小可配气体的体积分数为0.5 ‰ ，对于本系统，乙炔气体的体积分数每变化0.5 ‰ ，测得的系统对应输出如图 5所示.可以看出，系统对0.5 ‰ 乙炔气体具有很好的分辨能力.如果不受配气误差的限制，达到0.15966 ‰ 的分辨力是可以实现的.

图 5(Figure 5)

Fig. 5

图5 分辨率测量实验曲线 Fig. 5 Experiment curve of resolution measurement

同样，由式(3)可得测量系统在稳态下输出量的变化量与输入量的变化量之比(即灵敏度)：

由式(2)可知，提高灵敏度的方法有：①提高输入光强；②提高调制器的调制幅度；③提高参考气室中乙炔气体的体积分数；④提高光与待测气体之间的相互作用.

表 1列出了本系统的绝对误差和相对误差.可以 看出，该系统的最大绝对误差为0.15 ‰ ，最大相对误差为7.5 % ，表现出了良好的测量准确性.

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 系统的绝对误差和相对误差 Table 1 Relative and absolute errors of system ‰ 实际体 积分数 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 测得体 积分数 0.140 1.016 1.850 3.101 4.008 5.002 6.080 绝对 误差 0.140 0.016 0.150 0.101 0.008 0.002 0.080 相对 误差 - 1.60 7.50 3.25 2.00 0.04 1.31

表1 系统的绝对误差和相对误差 Table 1 Relative and absolute errors of system

由于配气系统中存在少量的漏气现象，而配气的稳定性直接决定传感器的稳定性，所以本次稳定性测量实验仅在短时间内进行.实验过程中，将1 ‰ 乙炔气体注入气室，待示值稳定后，每隔1s记录一次示值，并每隔1min求一次平均值，共记录30min系统输出值，结果如图 6所示.

图 6(Figure 6)

Fig. 6

图6 稳定性测量实验曲线 Fig. 6 Experiment curve of stability measurement

因此30min内测量的稳定度为

结果表明，该系统具有较好的稳定性.

首先用真空泵抽空测量气室，然后每间隔1h向测量气室中冲入3 ‰ 乙炔气体，待气流稳定后，每隔0.5min测得1组数据，共测10组数据后求平均值作为该点测量结果，记录测量值U_i.记录结果如图 7所示.从该曲线可以看出，系统的输出仅在小范围内波动，表现出较好的重复性.

图 7(Figure 7)

Fig. 7

图7 重复性测量实验结果 Fig. 7 Experimental results of reproducibility measurement

重复性大小可用标准差来求得

由此可得，相对标准偏差为

搭建了基于相关光谱和差分技术的光纤乙炔气体传感系统，并测出了乙炔气体体积分数与系统输出之间的对应关系.对实验数据进行处理，求得的实验测量分辨力为0.5 ‰ ，灵敏度为6.62μV，最大绝对误差为0.15 ‰ ，相对误差为7.5 % ，稳定性为2.27 % ，重复误差为0.817 % .结果表明，该系统具有测量精度高、灵敏度高、稳定性好等优点，适用于微量气体实时在线检测.