激光器电压调制驱动与锁相放大电路的研究

工矿自动化

IndustryandMineAutomation

No.9󰀁Sep.2010󰀁

文章编号:1671-251X(2010)09-0043-05

激光器电压调制驱动与锁相放大电路的研究

郭清华,󰀁黄强,󰀁鲁远祥

(煤炭科学研究总院重庆研究院,重庆󰀁400037)

󰀁󰀁摘要:为解决光频漂移对气体浓度检测的影响,根据分布反馈式半导体激光器的波长可调制特性,设计了一种激光器电压调制驱动与锁相放大电路。该电路的电压调制驱动电路输出波形是2Hz的锯齿波和2kHz的方波的叠加,其中:2Hz的锯齿波使激光器的中心波长缓慢扫过气体吸收中心线,确保气体吸收光强;2kHz的方波一方面对激光器的波长进行二次微量调节,另一方面作为谐波检测的同步信号。锁相放大电路则对不受激光器波长漂移的激光调制信号3次谐波进行锁相放大。Matlab仿真结果表明,该电路的输出与模拟气体浓度吸收光强函数的幅值成比例,同时证实了检测3次谐波的可行性。

关键词:气体浓度;检测;激光器;波长调制;电压调制驱动;锁相放大器;谐波检测;DFBLD󰀁󰀁中图分类号:TD711.3󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

收稿日期:2010-06-02

基金项目:2008年煤炭科学研究总院重庆研究院开发项目(CQ0802)

作者简介:郭清华(1983-),男,重庆人,助理工程师,2005年毕业于辽宁工程技术大学电气工程学院,现主要从事矿用传感器研发工作。E󰀁mail:saint_ggh@126.com

随着煤层的破碎和跨落,部分应力得到释放。又由于直接顶板的支撑作用,使得这些应力逐渐聚集在一起共同对综采工作面施压,并有扩大趋势,使得顶煤破坏加剧。主应力在采高为3m时,由于受到顶板关键层的支承,转移到煤壁前方与原有的应力共同作用;在采高为3.5m时,顶板破坏加重,使得应力在顶板破坏处得到进一步释放,主应力也作用随之而下;当采高达到4m时,在主应力的作用下顶板断裂,出现了冒顶。

由上述分析可知,随着采高的增大,顶煤上方应力集中的区域范围不断增大,增强了其对顶煤的破坏作用,有利于顶煤的破碎;同时,也增加了顶板冒顶的机率。4󰀁结论

(1)随着采高的增大,顶煤破坏严重,支撑能力逐渐减弱,同时煤壁前方应力增高区域逐渐变大,不利于顶板稳定。

(2)随着采高的增大,支架上方应力集中的区域范围不断增大,增强了其对顶煤的剪切破坏作用,有利于顶煤的破碎;同时,煤壁上方顶煤中应力集中区域应力值加大,有利于顶煤的提前破坏,但增加了顶板冒顶的机率。

(3)采高为2.5m时采场的安全性最佳,直接顶板没有受到破坏;采高为3~3.5m时容易形成拱形梁结构,不利于顶板维护;采高为4m时,综采工作面煤层充分破碎,顶板出现跨落现象,容易造成冒顶,不利于生产。大采高更有利于顶煤的破碎和放出,但安全性不能保障,所以采高为2.5m较为合理。

参考文献:

[1]󰀁富强.长壁综放开采松软顶煤落放规律的理论研究

[D].徐州:中国矿业大学,1999.

[2]󰀁古全忠.放顶煤开采顶板运动规律及支架-围岩相互

作用关系研究[D].北京:煤炭科学研究总院,1995.[3]󰀁周世宁,林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论[M].北京:

煤炭工业出版社,1999.

[4]󰀁方新秋,万德钧,王庆,等.离散元法在分析综放采场

矿压中的应用[J].湘潭矿业学院学报2003,18(4):11󰀁14.

[5]󰀁宋选民.综放采场顶煤冒放性研究及其控制[D].

徐州:中国矿业大学,1997.

44 工矿自动化2010年9月󰀁󰀁󰀁󰀁

ResearchofCircuitofVoltage󰀁modulatedDrivingand

Phase󰀁lockedAmplifyingofLaser

GUOQing󰀁hua,󰀁HUANGQiang,󰀁LUYuan󰀁xiang

(ChongqingResearchInstituteofCCRI.,Chongqing400037,China)

󰀁󰀁Abstract:Inordertoeliminateinfluenceofopticalfrequencydriftingfordetectionofgasconcentration,acircuitofvoltage󰀁modulateddrivingandphase󰀁lockedamplifyingoflaserwasdesignedbasedonmodulationcharacteristicsofwavelengthofDFBLD.Theoutputwaveformofthevoltage󰀁modulateddrivingcircuitissuperpositionof2Hzsawtoothwaveand2kHzsquarewave.The2HzsawtoothwavemakescentralwavelengthofDFBLDpassbycentrallineofabsorptionofgasslowly,soastoensuregasabsorblightintensity.The2kHzsquarewavemakessecondarymicro󰀁modulationofwavelengthofDFBLDanditisusedassynchronoussignalofharmonicdetectionsimultaneously.Thephase󰀁lockedamplifyingcircuitselectsandamplifiesthethirdharmonicofmodulationsignalofDFBLD,whichisnotinfluencedbywavelengthdriftingofDFBLD.TheresultofMatlabsimulationshowedthattheoutputofthecircuitisproportionaltotheamplitudeofabsorptionfunctionoflightintensityofgasconcentration,anditverifiesthefeasibilityofdetectionofthethirdharmonicwave.

Keywords:gasconcentration,detection,laser,wavelengthmodulation,voltage󰀁modulateddriving,phase󰀁lockedamplifier,harmonicdetection,DFBLD0󰀁引言

气体浓度检测技术根据传感机理可分为化学传感器法、气相色谱法和光谱吸收法等[1]。其中光谱吸收法包含傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)、可调谐激光二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)等。基于红外光谱技术的甲烷传感器已经应用到了工业现场,产品也趋于成熟;但环境湿度了红外光谱技术的进一步推广,因为环境中的水分子对红外光有较强的吸收效应

[2]

示。单片机信号调制发生器为电压调制驱动电路提供频率ft=2kHz,占空比为50%的方波信号和fs=2Hz的锯齿波信号;同时输出频率为fp1=fp2=2kHz,占空比为50%的方波信号用于锁相放大电路的谐波检测。

。可调谐激光二极管激光吸收光

谱技术不但具备红外光谱技术的优点,而且不受环境湿度的影响,已成为现代气体浓度检测技术的发展方向。

激光吸收光谱技术应用于气体吸收检测是基于Beer-Lambert定律的分光光度技术[3]。光度技术中的不稳定因素主要来自光功率的变化和光频的漂移。通过相应的温度控制电路可使分布反馈式半导体激光器(DFBLD)的光功率输出稳定。为实现对气体浓度的检测,根据DFBLD的波长可调制特性,采用波长调制光谱(WMS)技术,通过设计相应的激光器驱动与锁相放大电路,可解决光频漂移对气体浓度检测的影响,并可达到很高的灵敏度[4]。1󰀁电路原理

激光器驱动与锁相放大电路原理框图如图1所

图2󰀁DFBLD的内部结构图1󰀁激光器驱动与锁相放大电路原理框图

󰀁󰀁采用的DFBLD内部结构如图2所示。该激光器输出的中心波长󰀁c=1653.7nm,连续输出的光功率为5mW;波长调谐范围为300pm,波长调节分辨率为󰀂0.001nm,能够接受各种周期性波形(方波、正弦波、锯齿波,以及它们的叠加)的外部调制。

2010年第9期

2󰀁电压调制驱动电路设计

郭清华等:激光器电压调制驱动与锁相放大电路的研究 󰀁45󰀁󰀁

激光器波长的调制功能。激光器调制电流Im与调制电压Um的比例关系为

Im=

R21

Um=!Um

R20R22

(2)

电压调制驱动电路采用LM224放大器实现电压电流转换功能,从而实现利用电压调制波来调制激光波长的目的。电压调制驱动电路输出的波形是2Hz的锯齿波和2kHz的方波的叠加,其中2Hz的锯齿波使DFBLD的中心波长󰀁c缓慢扫过气体吸收中心线󰀁0,确保气体吸收光强;2kHz的方波一方面对DFBLD的波长进行二次微量调节,另一方面作为谐波检测的同步信号,从而利用波长调制光谱技术实现对气体浓度的检测。2.1󰀁波长调制光谱技术

利用载波信号的1个或几个特征参数来传送信息,从而实现信息检测传送的目的称为调制。利用DFBLD的波长调制技术和锁相放大技术分别实现信号的调制与信号的恢复,用于物质的吸收光谱分析,称为波长调制光谱技术。

图3为采用波长调制光谱技术检测气体浓度的原理框图。激光二极管的输入电流受到频率f=2kHz的方波信号调制,激光输出波长在中心波长󰀁c左右变化,经过被检测气体后,被PIN探测器接收,PIN探测器将信号Si送锁相放大电路;锁相放大电路的参考信号与激光二极管的调制信号同频,锁相放大电路可以选择采用基频f或是其倍频nf作相敏检测后的输出信号So。

Um=Us+∀(Up-2.5)(3)

󰀁󰀁式中:!=R21/(R20R22);∀为方波调制深度系数。

图4󰀁电压调制驱动电路

󰀁󰀁单片机信号调制发生器输出的锯齿波电压为Us,频率fs=2Hz;方波电压为Up,频率ft=2kHz。这2个信号经过可调加法器后,输出变为Um。

󰀁󰀁󰀁Us=2.5+5󰀂st,󰀁󰀁0!󰀂st!2#󰀁󰀁󰀁Up=

5V(高电平),󰀁0!󰀂tt!#0V(低电平),󰀁#!󰀂tt!2#

󰀁󰀁将Up展开成傅里叶级数:

Up-2.5=10[sin(󰀂tt)+1sin(3󰀂tt)+

#31sin(5󰀂tt)+∀]5

󰀁󰀁式中:󰀂s=2#fs;󰀂t=2#ft。3󰀁锁相放大电路设计

锁相放大电路通过谐波检测原理将激光调制信号的基频󰀂t=2#ft或者基频󰀂t的奇数次谐波进行选频放大,以实现气体浓度的检测。锁相放大电路包含了前置放大电路、选频电路、开关乘法器、差分

(4)

图3󰀁采用波长调制光谱技术检测气体浓度的原理框图

放大电路以及低通滤波器[5]。3.1󰀁谐波选取

所选择的DFBLD中心波长󰀁c=1653.7nm,结合式(2)~(4),则DFBLD的输出波长可表示为

󰀁=󰀁c+nIof(󰀂t)

(5)

󰀁󰀁式中:n为注入电流与光强之间的比例系数;

󰀁󰀁图3中,Io为直流偏置光强,I(󰀁)为气体吸收后的透射光强。设f(󰀂t)为电压调制驱动电路的输出,激光器经f(󰀂t)调制后,由Beer-Lambert定律可得式(1)。

I(󰀁)=Io[1+ f(󰀂t)]exp(-!󰀁Lc)=

Io[1+ f(󰀂t)](1-!󰀁Lc)

光程距离;c为气体浓度;!󰀁Lc󰀂1。2.2󰀁电压调制驱动电路

电压调制驱动电路如图4所示,通过LM224放大器、反馈电阻R22控制LD电流的大小,从而实现(1)

󰀁󰀁式中: 为调制系数;!󰀁为气体吸收系数;L为

f(󰀂t)=Im。

由式(2)、式(3)知Im中的锯齿波电压Us变化缓慢,在t0时刻内锯齿波扫描到的中心波长变为󰀁c#,则存在∃t-t0∃=∃%0附近Us无变化且󰀁c#趋近于󰀁c,则式(5)可改写为

󰀁=󰀁c#+n!∀Io(Up-2.5)(6)

46 工矿自动化2010年9月󰀁󰀁󰀁󰀁

󰀁󰀁当光源波长󰀁在气体吸收中心波长󰀁0附近变化时,有

!󰀁=exp[-(%󰀁0+n!∀Io(Up-2.5)p]ln(2/%󰀁);%󰀁为气体吸收谱的半径宽。

将式(6)代入式(1):I(󰀁)=Io(1+n!∀(Up-2.5))-Io[1+n!∀(Up-2.5)]Lcexp[-(%󰀁0+n!∀(Up-2.5)p]

(8)

󰀁󰀁由于%󰀁0&0、(%󰀁0+n!∀(Up-2.5)p󰀂1,选取式(4)中的基频项代替式(8)中的(Up-2.5),得I(󰀁)=Io

110n!∀Io1-Lc1-p%󰀁-2#2

0

2

2

󰀁󰀁式中:U为3次谐波的幅值;%󰀂为角频率噪声;&为相移角度。

3次谐波检测电路利用开关乘法器进行相敏检测,通过差分放大电路处理掉共模干扰,如图6所示。

(7)

0=󰀁c#-󰀁0趋近于󰀁c-󰀁0;p=󰀁󰀁式中:%󰀁

p-

图6󰀁3次谐波检测电路

%󰀁0

10n!∀Io#

2

Iop+1-Lc1-2

󰀁󰀁将U1同时输入到2个开关乘法器中,同时将单片机信号调制发生器的2个解调信号fp1、fp2分别输入到开关乘法器U1、U2中,对U1进行谐波解调。fp1、fp2与方波调制信号Up同频,都为2kHz。󰀁󰀁现在假设fp1=fp2=Up,则2个开关乘法器的输出为

U21=U22=U1(&)∋Up=

Usin(3󰀂tt+%󰀂+&)2.5+

10[sin(󰀂tt)+#(11)

310n!2p%󰀁0nIo-∀Io4#10n!∀Iosin(󰀂tt)-#10!∀Io%󰀁0

#

22

p-%󰀁p110n!∀Io2#2

20

p+

npIoIoLccos(2󰀂tt)-

1p10n!∀I3oLcsin(3󰀂tt)(9)

#4

󰀁󰀁从式(9)可看出,3次谐波系数不受DFBLD波长漂移的影响,从线性关系和稳定性角度出发,检测3次谐波3󰀂t最好

[6]

1sin(3󰀂tt)+1sin(5󰀂tt)+∀]35󰀁󰀁式(11)中,Usin(3󰀂tt+%󰀂+&)经简化后有低频直流项,即

。依此类推,如果取式(4)中的

10sin(3󰀂tt)项3#

3次谐波相代替式(8)中的(Up-2.5),则可知9次谐波系数也有这样的性质,但是其幅值已经很小,对测量气体浓度已无实际价值。

3.2󰀁锁相放大电路

经过上述推导,锁相放大电路对调制方波的3次谐波进行锁相放大:首先对PIN探测器的输出Si进行前置放大,而后进行带通滤波放大,以选出3次谐波信号,如图5所示。

10Ucos(%󰀂+&)才能通3#

过R1、C1、R2、C2组成的低频滤波器。

通过单片机的定时器设置fp1的相位比Up超前#/2,fp2的相位比Up滞后#/2,则U21中只有10#10Ucos%󰀂+&-,U22中只有Ucos%󰀂+&+3#23##2才能通过低通滤波器进入差分放大电路。将差分放大电路的增益设置为1,其输出U2=

20U 3#

sin(%󰀂+&)。最后再通过低通滤波电路将20U

3#sin(%󰀂+&)中的低频噪声%󰀂滤出,从而得到与气

图5󰀁前置带通滤波放大电路

20体浓度成正比的直流信号3#Usin&。4󰀁仿真

将电压调制驱动电路和锁相放大电路通过Matlab的Simulink功能进行仿真。根据电压调制驱动电路,取电压电流转换比!=0.02,方波脉冲调󰀁󰀁图5中,R1、C103、R42、C40组成带通滤波电路,通过设置各参数使频率为3ft的电压信号通过,然后

对通过的3次谐波信号进行5倍反向放大,得到U1。U1可表示为

U1(&)=Usin(3󰀂tt+%󰀂+&)

(10)2010年第9期郭清华等:激光器电压调制驱动与锁相放大电路的研究 󰀁47󰀁󰀁

制深度∀=0.04。带通滤波器的参数:R1C103=4󰀂t,C40R42=2󰀂t,并可根据需求对电路中的参数进行调整。为了模拟气体对3次谐波的吸收,用函数f(3󰀂tt)=A(t)sin(3󰀂tt)与电压调制驱动电路的输

出相减来实现,A(t)为f=2Hz的锯齿波函数模拟激光器输出的不同波长对气体吸收光强的影响,通过调节A(t)的幅值A来模拟不同浓度气体对光强的吸收。获得的调制电流Im波形如图7所示。

图11󰀁A=0.030V时Uc的波形

󰀁󰀁从图8~11可看出,Uc的稳态峰值与模拟的气体浓度光强吸收函数的幅值A成线性关系,证实了所设计电路检测3次谐波的可行性。5󰀁结语

介绍了中心波长󰀁c为1653.7nm的DFBLD电压调制驱动和锁相放大电路的设计,Matlab仿真

图7󰀁调制电流Im波形

󰀁󰀁调节幅值A可得该电路不同的输出Uc(3次谐波幅值)。取A=0.010V、0.015V、0.020V、0.030V时,Uc的波形分别如图8~11所示,Uc的峰值分别为Uc1=0.455V,Uc2=0.714V,Uc3=

0.970V,Uc4=1.490V。

结果验证了该电路检测3次谐波的可行性。选用不同浓度的甲烷气体(1%~5%)对该电路进行了实际测量,结果表明,其输出峰值电压与甲烷气体浓度线性度较好。

参考文献:

[1]󰀁安毓英,曾小东.光学传感与测量[M].北京:电子工业

出版社,2001:99󰀁101.

[2]󰀁刘永平.红外技术在煤矿井下测温和测气中的应用

[J].红外技术,2000,22(4):59󰀁62.

[3]󰀁SHIMOSEY,OKAMOTOT,MARUYAMAETA,

图8󰀁A=0.010V时Uc的波形

etal.RemoteSensingofMethaneGasbyDifferentialAbsorptionMeasurementUsingaWavelengthTunableDFBLD[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters,1999,3(1):178󰀁181.[4]󰀁SPELMAN

J.Fiber󰀁coupledMultiple󰀁lineInfrared

EmissionMeasurementstoDetermineTemperature,

图9󰀁A=0.015V时Uc的波形

CO2andH2O[J].JournalofQuantitativeSpectroscopyandRadiativeTransfer,2003,76(4):309󰀁330.[5]󰀁郭延荣.光谱吸收式光线甲烷气体传感器的研究[D].

北京:燕山大学,2001.

[6]󰀁JINW.PerformanceAnalysisofaTime󰀁division󰀁

multiplexed

Fiber󰀁optic

Gas󰀁sensor

Array

by

WavelengthModulationofaDistributed󰀁feedback

图10󰀁A=0.020V时Uc的波形Laser[J].AppliedOptics,1999,38(25):5290󰀁5297.

关于(工矿自动化)杂志组稿、征稿的说明

亲爱的作者和读者朋友们,近期,我们发现有不少专门从事刊物网上征稿的网站打着(工矿自动化)杂志的旗号进行征稿,鉴此,本刊特此严正声明:

(工矿自动化)杂志从未委托过任何个人、任何机构或公司为(工矿自动化)杂志进行组稿、征稿,望广大

的作者和读者朋友们不要上当受骗。

(工矿自动化)杂志的官方网站为www.gkzdh.cn,投稿邮箱为editor@cari.com.cn。