浓度传感

浓度传感（通用3篇）

浓度传感 篇1

引 言

自从1995年Vengsarkar等人[1]在光纤中成功地写入长周期光纤光栅(LPFG)以来,有关LPFG在传感方面[2,3,4,5]的研究引起了学者们的广泛关注。LPFG把纤芯中传输的基模能量耦合到同向传输的包层模中损耗掉,因此它的透射光谱极易受包层和周围环境的影响,这一特点使其比布拉格光纤光栅具有更大的浓度测量灵敏度。但长周期光纤光栅具有多级透射谱,使其传感解调技术还非常欠缺。

光谱仪是实验室中常见的用来检测LPFG传感信号的仪器,然而该设备过于昂贵,使得LPFG传感系统难以让人接受。所以发展成本低、结构简单的解调技术将是LPFG传感系统走向实用化的关键。本文引入受压电陶瓷驱动的F-P可调滤波器,观测来自传感光栅某级透射光波经滤波后的功率谱,通过分析同一扫描周期中两负脉冲在时域中间隔的变化来确定待测溶液浓度的变化。该解调方案结构简单、操作便捷、对长周期光栅传感器实用化具有重要的现实意义。

1 理论分析

实验装置如图1所示,SLD光源发出的光波,经LPFG传输携带待测信息后传至受压电陶瓷驱动的F-P可调滤波器,滤波后的光波由光电探测器接收,被转变为电信号。当F-P可调滤波器的输出光波扫过携带待测参量的LPFG特定透射谱与之交迭时,探测器接收的光强大为减弱,假如PZT的驱动电压有足够的幅值,在三角波的驱动下,一个周期内,功率谱曲线上将形成两个负脉冲。通过观测两个负脉冲在时域中的间隔变化,可实现溶液浓度的测量。

利用传输矩阵理论得长周期光纤光栅的透射谱表达式[6]:

$\begin{array}{l}Y(\lambda ):=[|\text{e}{}^{\text{l}\text{i}\cdot \frac{\text{π}\cdot d}{\Lambda }}\cdot [\cos [\sqrt{k{}^2+[\frac{\text{π}\cdot (\lambda {}_0-\lambda )}{\lambda \cdot \Lambda }]{}^2\cdot }d]+\\ \text{l}\text{i}\cdot \frac{\frac{\text{π}\cdot (\lambda {}_0-\lambda )}{\lambda \cdot \Lambda }\cdot \sin [\sqrt{k{}^2+[\frac{\text{π}\cdot (\lambda {}_0-\lambda )}{\lambda \cdot \Lambda }]{}^2}\cdot d]}{\sqrt{k{}^2+[\frac{\text{π}\cdot (\lambda {}_0-\lambda )}{\lambda \cdot \Lambda }]{}^2}}]|]{}^2(1)\end{array}$

式中,k是耦合系数;Λ和d是光栅周期和光栅长度;λ0是初始谐振波长。其谱线如图2中实线所示。此谱线经F-P可调滤波器后的透射谱是波长和腔长的函数:

${\rm P}(\lambda )=\frac{(1-R){}^2}{(1-R){}^2+4R\text{s}\text{i}\text{n}\left(\frac{2\text{π}nL}{\lambda }\right){}^2}(2)$

式中,R是反射的反射系数;L和n是两反射镜之间的长度和其中介质的折射率。在1.55～1.70 μm波长范围内,当腔长从49.73～63.97 μm 变化时, 其透射谱如图2中虚线所示。

在PZT的驱动电压有足够的幅值,且在三角波的驱动下,一个周期内,功率谱曲线上将形成两个负脉冲。通过观测两个负脉冲在时域中的间隔变化,可实现溶液浓度的测量。

2 实验研究与讨论

实验中所用长周期光纤光栅是利用周期是450 μm的不锈钢幅度模板,Corning单模光纤载氢后在248 nm 准分子激光照射下制成的。在20 ℃且不弯曲不受力情况下的透射谱如图3所示,具有 5个透射峰,谐振波长分别为 1 233.6 nm、1 306.9 nm、1 346.1 nm、1 410 nm、1 531 nm。

为了在浓度测试过程中,光栅始终处于绷紧状态,又不至于产生较大的轴向拉力,如图1所示,LPFG所在光纤一端用石蜡固定在塑料盒右侧,另一端通过两个滑轮悬挂一轻物,同时实验在20 ℃恒温下进行。光源采用中心波长为1 550 nm、带宽为60 nm的超发光二极管,选用LPFG的第9级透射谱(1 531 nm)作为研究对象。

所用F-P可调滤波器是微光C波段,带宽和自由光谱范围分别为0.03 nm和100 nm的FFP-TF2。根据LPFG的波长大小、6.3 nm带宽及5 nm的波长变化范围,确定F-P可调滤波器的电压变化范围为6.4～18.6 V,电压频率为120 Hz,

光波经探测器(New Focus 2011)光电转换和放大处理后,直接用示波器观测。放大器增益设置为165 V/mW。在示波器上测得蔗糖溶液浓度从0增大到饱和的过程中一个周期内两负脉冲时间间隔发生明显变化,如图4所示。同时测得溶液浓度与时间间隔之间满足图5所示的关系。

由图5可知,时间间隔随浓度变化非常有规律,基本上是按照一个二次曲线向长间距方向移动。当蔗糖溶液的浓度从0变为饱和时,时间间距变化了0.78 ms。浓度测量灵敏度可达0.02 ms Lg-1。根据所测得的时间间隔变化,可确定LPFG周围溶液浓度的大小。

系统传感分辨率主要取决于光栅的带宽和探测器的响应特性,光栅的带宽越窄,探测器的响应频率越高,分辨率越高。

3 结 论

利用时域脉冲间隔对长周期光纤光栅波长信号进行解码,成功地对蔗糖溶液浓度进行了感测,该传感系统浓度传感灵敏度的实验值为0.02 ms Lg-1。实验中用普通示波器进行信号分析,对工作环境要求不高,比较实用。

摘要：采用F-P可调滤波器对长周期光纤光栅的某级透射谱进行波长扫描,借助探测器和示波器对信号光波在驱动信号周期内所形成的负脉冲间隔进行测量,实现信号解调。利用此系统对蔗糖溶液浓度从0到饱和进行测量,测得系统传感灵敏度的实验值为0.02 ms Lg-1。

关键词：传感技术,长周期光纤光栅,浓度传感,F-P可调滤波器,解调

参考文献

[1]Bhatia V,Vengsarkar A M.Optical fiber long-period gratingsensors[J].Opt Lett,1996,21(9):692-694.

[2]Patrick H J,Chang C C,Vohra S T.Long period fiber grat-ings for structural bend sensing[J].Electron Lett,1998,34(18):1773-1775.

[3]严金华,姜萌.一种基于LPG的高灵敏度折射率传感器[J].光电子.激光,2008,19(2):178-190.

[4]何慧灵,翟荣辉,高侃,等.单长周期光栅迈克耳孙干涉仪特性研究[J].光学学报,2005,25(12):1693-1696.

[5]徐艳平,顾铮先,陈家壁.长周期光纤光栅气敏薄膜传感器结构优化[J].光学学报,2006,26(3):326-330.

[6]赵洪霞,丁志群,王金霞,等.一种基于LPFG高灵敏度浓度传感器[J].光电子.激光,2009,20(6):742-744.

GCG1000型粉尘浓度传感器 篇2

天地 (常州) 自动化股份有限公司研制推出的GCG1000型粉尘浓度传感器为本质安全型产品。它采用光散射原理检测煤矿井下空气的粉尘质量浓度, 具有多种标准信号制式输出及报警功能, 能单独使用或联检后与煤矿安全监控系统配套使用。该传感器是一种智能型检测仪表, 可通过遥控器实现调零、预设K值、报警点设置等功能, 具有稳定可靠、使用方便等特点。

GCG1000型粉尘浓度传感器的测量范围为0～1 000 mg/m ;粉尘浓度测量相对误差为± 15 %;采样流量为3 L/min;采样流量误差不大于± 2.5 %;遥控距离不大于5 m, 角度小于120°;输出信号频率为200～1 000 Hz, 输出高电平大于3 V (负载电阻为1.5 kΩ) , 采用RS485接口, 波特率为1 200 bit/s;供电电压为DC 12～24.5 V, 额定工作电压为DC 18 V;工作电流≤300 mA;具有报警功能, 报警点可在0～1 000 mg/m 范围内任意设置, 报警显示值与设定值的差值不超过粉尘浓度测量相对误差要求;在距传感器1 m远处的报警信号的声压级不小于80 dB·A;外形尺寸为300 mm×260 mm×110 mm;重量≤ 5 kg。

浓度传感 篇3

粉尘对环境和人体的危害还取决于粉尘的含量, 一般以空气中所含粉尘的浓度作为衡量的指标, 我国规定工业业场所空气中的煤尘 (Si O2<10%) 最高允许浓度为10 mg/m3;时间加权平均容许浓度中, 总粉尘1.5 mg/m3, 呼吸性粉尘0.5 mg/m3。粉尘治理是关系到环境保护、人身健康的重大工程。

在洗煤厂, 100μm以上的尘粒受重力的作用很快降落, 不须成为除尘对象, 作为除尘对象的粉尘粒径一般在100~0.01μm之间, 而10μm以上的尘粒易于分离, 通过使用除尘器达到的除尘效果就比较显著, 较难处理的是10~0.1μm之间的尘粒, 特别是1μm以下的微尘粒分离困难。

在洗煤生产中, 粉尘主要来自于固体物质的机械粉碎及煤的过筛、包装、运输时粉尘的逸散, 集中在储煤场、原煤仓顶部、碎煤机出口和入口、碎煤机室、原煤分级筛、配煤仓口、振动给煤机、输煤皮带转载点及皮带走廊地面等处。

存在如此之多的高粉尘的作业场所, 就需要对这些场所的粉尘浓度进行长期的连续的检测, 考虑到洗煤厂的环境因素及需要安装在作业场所进行长期测量, 兼顾操作维护的方便, 选择了激光散射原理的粉尘浓度测量元件, 从理论上设计粉尘浓度传感器, 对粉尘浓度进行连续检测, 通过显示屏显示出来, 提醒在该场所作业的人员采取相应的措施来保护自己及他人的健康。

1 工作原理

粉尘浓度传感器的工作原理主要有摩擦电测量原理, 激光散射原理, 激光干涉原理, 及压电天平测量原理等。

激光散射原理的粉尘浓度测量元件具有测量快速准确, 灵敏度高, 性能稳定, 清洗维护简单方便等诸多优点。测量范围选择0.1mg/m3———500 mg/m3含有粉尘的空气采集采用薄膜泵强迫流动采集, 过滤器采用淘析型过滤器。使用淘析型过滤器的主要目的是防止大颗粒粉尘进入暗室, 从而影响粉尘浓度传感器的使用寿命。

粉尘浓度传感器在组成上主要有四部分:a.光散射原理检测系统;b.匀速采气系统;c.数据处理显示系统;d.流量自动控制系统。

工作原理:含尘空气在薄膜泵的作用下通过淘析型过滤器进入光散射检测暗室, 激光光源照射含尘气流, 探测器检测粉尘的散射光强, 散射角90度, 在粉尘性质一定的条件下, 粉尘的散射光强度正比于粉尘浓度。 (图1)

式中:C———粉尘浓度, mg/m3

K———光散射比例系数

I——激光光强

探测器将光强信号转换为电压信号, 直接用AD7705进行模数转换, 转换后的数据发送到处理器ATmega16, 经过数字滤波和量程转换后通过显示屏显示, 同时处理器对气流流量进行检测和控制, 使之保持匀速。

2 器件介绍

A/D转换器采用AD7705, 这是AD公司新推出的16位Σ-ΔA/D转换器。器件包括由缓冲器和增益可编程放大器 (PGA) 组成的前端模拟调节电路, Σ-Δ调制器, 可编程数字滤波器等部件。能直接将传感器测量到的多路微小信号进行A/D转换。内部功能框图如图2。

AD7705包括两个全差分模拟输入通道, AD7706包括三个准差分模拟输入通道。片内的增益可编程放大器PGA可选择1、2、4、8、16、32、64、128八种增益之一, 能将不同摆幅范围的各类输入信号放大到接近A/D转换器的满标度电压再进行A/D转换, 这样有利于提高转换质量。当电源电压为5V, 基准电压为2.5V时, 器件可直接接受从0~+20m V至0~+2.5V摆幅范围的单极性信号和从0~±20m V至0~±2.5V范围的双极性信号。

处理器使用的ATmega16是AVR单片机系列中高端的一款, 它目前最新的单片机系列之一, 具有速度高、片内硬件资源丰富等优点, 可作为真正意义上的单片机使用。它的最大特点是低功耗和高速度, 其掉电方式、闲置方式至工作方式下的耗电约为1μA~2.5μA。该系列单片机采用现代微处理器流水管线预取指令技术, 淘汰了机器周期的概念。它以时钟周期为指令执行的基本时间单位, 每个时钟周期可执行一条指令。时钟频率通常采用4MHz~8MHz, 故最短的指令执行时间为250ns~25ns。在12MHz频率下, 指令的吞吐量为12MIPS, 这是一般MCS-51单片机速度的12倍。AVR系列片内含有模拟比较器, 与输入捕捉功能配合可进行多种模拟控制和转换。它借鉴了某些机型的高速输入输出HSIO和可编程计数阵列PCA的概念, 实现了本身的输入捕捉、输出比较和脉冲宽度调制输出功能, 从而成为脉冲信号测量、开关量按时控制及某些直流马达调速的得力工具。在软件开发方面, AVR单片机内含容量不等的闪速程序存储器 (Flash Memory, 简称Flash) , 可反复擦写至少1000次, 极大地方便了产品开发和软件修改。Flash存储器中的程序可由PC机串行下载, 亦可在通用写入器上以并行方式写入。薄膜泵选用QYB-9010膜片式电磁泵, 它具有体积小、重量轻、流量稳定并可长期运行等优点。

主要技术指标:输出压力:≥0.01MPa;真空度:≤0.008Mpa;流量:≮2.0L/min≮3.0L/min≮7.0L/min;电源:220V (110V 36V 24V12V) 50Hz;噪音:≤50d B。

结束语

抓住机遇, 乘科技创新的东风, 全面提升洗煤厂环保卫生体系的科技含量。

摘要：洗煤厂存在众多高粉尘作业场所, 就需要对这些场所的粉尘浓度进行长期的连续的检测。主要介绍了激光散射原理粉尘浓度传感器的工作原理及电路实现。