基于光譜吸收的光纖水分傳感器研究*

朱珊瑩，曹匯敏，謝勤嵐，鄭冬云

(中南民族大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢430074)

0 引言

隨著科學(xué)研究的飛速發(fā)展和生產(chǎn)技術(shù)的快速進(jìn)步，水分的定量分析已被列為各類物質(zhì)理化分析的基本項(xiàng)目之一，作為各類物質(zhì)的一項(xiàng)重要質(zhì)量指標(biāo)。水分檢測(cè)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，可以是工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量鑒定，也可以是工業(yè)生產(chǎn)的控制分析。例如:受大眾歡迎的綠色健康食品特別注重食品的保鮮度，即食品的水分含量;在工業(yè)、輕工業(yè)例如:造紙技術(shù)、纖維中，通過對(duì)水分含量的嚴(yán)格控制使其產(chǎn)品達(dá)到合格的要求;在煙草生產(chǎn)過程中對(duì)水分含量的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)以保證煙絲的質(zhì)量?？梢哉f，水分檢測(cè)已經(jīng)滲透到醫(yī)藥衛(wèi)生、食品安全、化工生產(chǎn)、居室環(huán)境等生產(chǎn)生活領(lǐng)域［1，2］。

水分子在中紅外有很強(qiáng)的吸收系數(shù)，在近紅外的吸收相對(duì)較弱。但是，由于中紅外的光纖非常昂貴，中紅外的光源性能不穩(wěn)定等因素，昂貴的中紅外傳感器難以投入到生產(chǎn)實(shí)踐中來，而性價(jià)比相對(duì)較高的近紅外光纖傳感器則有巨大的應(yīng)用前景［3］。水分子在近紅外波段內(nèi)的吸收譜線主要是一級(jí)倍頻和合頻。O—H的伸縮振動(dòng)基頻在2 941～4000 nm，一級(jí)倍頻在1499.9～2 200 nm。液態(tài)水的譜帶較寬，純水的O—H伸縮振動(dòng)的一級(jí)倍頻約在1 380 nm附近，合頻在1940 nm附近。

本文在分析水分子近紅外光譜吸收的基礎(chǔ)上，將光譜吸收技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合，研制了基于光譜吸收原理的強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。

1 光纖傳感器的理論基礎(chǔ)

1.1 光譜吸收理論

當(dāng)一束紅外光(單色或復(fù)合光均可)射穿或射到某種物質(zhì)上時(shí)，如果被照射物質(zhì)的分子選擇性地吸收輻射光中某些頻率波段或特定波長(zhǎng)的光，則產(chǎn)生吸收光譜。吸收光譜中帶有分子的信息，即根據(jù)吸收光譜(具體就是光強(qiáng)的變化)可以檢測(cè)到分子的信息(例如:某種分子的濃度或表面粗糙度等)。攜帶分子信息的光主要有透射光和漫反射光2種，基于透射原理的傳感器主要是建立在朗伯—比爾定律上，基于漫反射原理的傳感器主要是建立在Kubelka-Munk(K-M)函數(shù)的基礎(chǔ)上分析的，本文主要介紹基于漫反射原理的強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。

漫反射光的強(qiáng)度［4］取決于樣品對(duì)光的吸收和樣品的散射。漫反射光強(qiáng)度與樣品濃度的關(guān)系不符合朗伯—比爾定律。因此需要研究與樣品濃度成某種關(guān)系的漫反射光譜參數(shù)。漫反射的光譜參數(shù)主要包括以下3個(gè):散射系數(shù)S，它表示樣品對(duì)光的散射程度，主要反映光在樣品中經(jīng)過單位光程后光的衰減程度;漫反射體的吸光系數(shù)K，其含義與透射光譜的吸光系數(shù)類似，主要與樣品的化學(xué)成分有關(guān);漫反射率R，它的定義為出射光與入射光的比率。

R，S和K之間的關(guān)系由下式(1)表示

式中 R∞為樣品厚度無窮大時(shí)的絕對(duì)漫反射率，由公式(1)可以看出，R∞是(K/S)的函數(shù)，即只與K，S的比值有關(guān)，而與它們的絕對(duì)值無關(guān)。在漫反射分析中，只有在一定的濃度范圍內(nèi)吸光系數(shù)K才與樣品的濃度呈線性關(guān)系，而R∞與樣品中的濃度在任何時(shí)候都不是線性關(guān)系。

1.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是把輸入樣本送入輸入層后，傳遞給第一層隱含層，經(jīng)過傳輸函數(shù)處理后再傳遞給下一個(gè)隱含層，以此類推，最后一個(gè)隱含層的輸出作為輸出層的輸入，輸出最終結(jié)果，簡(jiǎn)言之，是通過輸入輸出的數(shù)據(jù)利用數(shù)學(xué)技巧來完成系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。

基于漫反射原理的光纖傳感器是測(cè)量某種分子(即水分子)的濃度，與透射式原理一樣，選擇雙光路系統(tǒng)，參考光路的信號(hào)VR與光源功率P0有關(guān)，而檢測(cè)光路的信號(hào)VS不但與P0有關(guān)，還與待測(cè)樣品的濃度C有關(guān)，即

光纖傳感器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸入層為3個(gè)神經(jīng)元，即輸出電壓、參考光路信號(hào)VR、測(cè)量光路信號(hào)VS;輸出層一個(gè)神經(jīng)元，即待測(cè)樣品的濃度。隱含層多可以進(jìn)一步降低誤差，提高精度，但同時(shí)也會(huì)使網(wǎng)絡(luò)過于復(fù)雜化，從而增加訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間。研究表明:當(dāng)隱含層為1～2層時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)收斂性最佳，所以，這里確定隱含層為2層。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)是通過誤差面尋優(yōu)過程的訓(xùn)練來完成的，標(biāo)準(zhǔn)的BP算法采用以最小均方差為目標(biāo)的梯度下降法，這種方法是網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重和閾值沿著網(wǎng)絡(luò)誤差變化的負(fù)梯度方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終使誤差達(dá)到極小值或最小值。具體如圖1所示。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型Fig 1 Model of neural network

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光纖傳感器關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)分析

水分子是不規(guī)則分子，所以，它的吸收譜線極其不規(guī)則，應(yīng)盡量選擇吸收譜線密集的波長(zhǎng)。圖2、圖3所示為根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫［5］得出的精細(xì)譜線。水在近紅外波段的吸收主要是第一倍頻和合頻，本文選用位于石英光纖的低損耗窗口1.1～1.7μm之間的第一倍頻段的吸收譜線，圖2是第一倍頻的詳細(xì)譜線。

圖2 水分子第一倍頻的吸收譜線Fig 2 The first frequency doubling absorption line of H 2O molecule

為了避免空氣中CO2，O2，N2等氣體的干擾和選用吸收強(qiáng)度較強(qiáng)處的波長(zhǎng)，從圖3(波數(shù)在7280～7380 cm－1之間的詳細(xì)吸收譜線)可以看出:比較密集的吸收譜線在7232 cm－1處，即選用7232 cm－1=1 382.74 nm 作為吸收譜線，該譜線峰值分子吸收強(qiáng)度為1.25×10－20cm－1/(molecule×cm－2)，即應(yīng)選擇中心波長(zhǎng)輸出含有1382.74nm的光源。

吸收譜線確定后，就可以選擇光源。光源主要有相干光源和非相關(guān)光源2種，非相關(guān)光源包括熱源、氣體放電光源和發(fā)光二極管，相干光源主要是指為各種工作環(huán)境設(shè)計(jì)的激光器。其中，在光纖傳感系統(tǒng)中比較常用的光源是半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)。

本文選用新加坡Denselight公司生產(chǎn)的超窄線寬半導(dǎo)體LD作為本傳感器的光源，單模光纖輸出，設(shè)計(jì)調(diào)制速率可達(dá)662 Mbps。該 LD基于外腔激光器設(shè)計(jì)，內(nèi)置光纖Bragg光柵保證非常穩(wěn)定的激光波長(zhǎng)輸出，超窄的輸出光譜線寬和出色的邊模抑制比(SMSR)。峰值激光波長(zhǎng)1383 nm，典型光譜線寬5 kHz，最小輸出功率5 mW，最小SMSR為35dB，內(nèi)置TEC和熱敏電阻器，通過調(diào)節(jié)注入電流的大小和管芯的溫度來控制光源的輸出波長(zhǎng)，最終使光源的輸出波長(zhǎng)和吸收譜線相吻合。

本文所用的反射式樣品池組成如圖4所示。其中，螺旋微動(dòng)頭的固定套管用內(nèi)六角螺釘固定在室體的機(jī)架上，螺旋微動(dòng)頭的微動(dòng)螺桿與動(dòng)板通過聯(lián)軸器連在一起。

圖3 水分子在7280～7380 cm－1之間的精細(xì)吸收譜線Fig 3 Fine absorption line of H2O molecule at 7280～7380 cm－1

圖4 反射式樣品池結(jié)構(gòu)圖Fig 4 Structure diagram of reflective sample cell

樣品池的工作原理是:通過旋轉(zhuǎn)微動(dòng)頭的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)板的上下移動(dòng)，完成了安裝在蓋板上的光纖探頭與被檢測(cè)物之間距離的調(diào)節(jié)。移動(dòng)量可以通過固定套管上的刻度盤讀出。每當(dāng)旋轉(zhuǎn)微分頭的外刻度筒一周時(shí)，微動(dòng)螺桿便向上或向下移動(dòng)一個(gè)螺距0.5 mm。這樣，當(dāng)微分筒旋轉(zhuǎn)一個(gè)刻度后和旋轉(zhuǎn)1/50轉(zhuǎn)時(shí)，微動(dòng)螺桿便帶動(dòng)動(dòng)板垂直方向(向上或向下)移動(dòng)(1/50)×0.5 mm=0.01 mm，亦即本氣室的距離調(diào)節(jié)精度為0.01 mm。通過旋轉(zhuǎn)微分頭可以選擇最佳檢測(cè)距離。

2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光纖傳感器主要由光路系統(tǒng)、前置放大處理以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。光路系統(tǒng)的任務(wù)是完成信號(hào)的檢測(cè)，通過漫反射檢測(cè)原理和待測(cè)物質(zhì)的分子對(duì)光源中的特定光譜的吸收，從而使光強(qiáng)減弱，光強(qiáng)減弱的程度反映物質(zhì)中分子的含量，光路系統(tǒng)使含有待測(cè)分子信息的光發(fā)送到光電探測(cè)器。發(fā)送到光電探測(cè)的光信號(hào)極其微弱，前置放大處理是把接收到的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并進(jìn)行濾波等預(yù)處理。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是把前置放大處理后的信號(hào)進(jìn)行處理，并輸出結(jié)果，總體結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

光源驅(qū)動(dòng)主要包括三部分，溫度控制、電流驅(qū)動(dòng)和調(diào)制信號(hào)，溫度控制是控制LD的管芯溫度，電流驅(qū)動(dòng)是控制注入電流的大小，通過調(diào)節(jié)管芯溫度和注入電流的大小從而選擇出與吸收譜線相吻合的波長(zhǎng)。本系統(tǒng)對(duì)光源采用的是正弦波調(diào)制。從光源LD發(fā)出的光經(jīng)過耦合器分為兩路，一路經(jīng)過參考樣品池，另一路經(jīng)過檢測(cè)樣品池。從樣品池反射回來的光發(fā)送到光電探測(cè)器上，由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為微弱電壓信號(hào)，微弱信號(hào)經(jīng)過調(diào)制與處理板的放大、濾波等處理后由NI數(shù)據(jù)采集卡采集，并用LabVIEW程序保存到電腦中。最后在電腦中完成信號(hào)的最后分析與處理。

圖5 光纖傳感器原理框圖Fig 5 Principle block diagram of optical fiber sensor

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)開始前，先調(diào)節(jié)參考光路和檢測(cè)光路的輸出光強(qiáng)，使前置放大處理板上兩路的輸出電壓值盡量一致，即差分之后的值越小越好，近似為零。然后把不含水分的紙張放入?yún)⒖紭悠烦刂?，把有一定水分含量的紙張放入檢測(cè)樣品池中，標(biāo)定前設(shè)置，當(dāng)水分含量為零時(shí)，電壓輸出為1 V，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)Tab 1 Test data of the sensor

由表1可以看出:水分含量與輸出值不呈線性關(guān)系，這與前面理論建模的分析結(jié)果相同。但不能測(cè)量出水分含量為0～15%區(qū)間內(nèi)任意值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以，采用神經(jīng)網(wǎng)路原理研究水分含量與輸出值的關(guān)系。

以三層BP網(wǎng)絡(luò)作為擬合器，輸入、輸出層都為1個(gè)神經(jīng)元，中間層為2個(gè)神經(jīng)元，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為表1所示。以0.005為終止精度，經(jīng)過395次訓(xùn)練達(dá)到終止精度，圖6為訓(xùn)練誤差曲線。

圖6 訓(xùn)練誤差曲線Fig 6 Training error curve

網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完成后，擬合模型如圖7所示。

圖7 擬合曲線Fig 7 Fitting curve

4 結(jié)束語

理論與實(shí)驗(yàn)證明:采用光譜吸收原理可以實(shí)現(xiàn)水分含量的檢測(cè)。雙光路結(jié)構(gòu)的使用有效消除了光路中光強(qiáng)的衰減、光源的零點(diǎn)漂移、電磁干擾等因素的影響。采用可調(diào)節(jié)反射樣品池使最佳檢測(cè)點(diǎn)容易分辨，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和擬合，減少了測(cè)量誤差?？傊?，傳感器響應(yīng)速度快、抗干擾、適用于易燃易爆等惡劣環(huán)境，并且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)。

［1］湯 知.基于光纖傳感器的紅外紙張水分儀［D］.上海:華東師范大學(xué)，2007.

［2］趙奕陽.光纖傳感式紅外水分測(cè)量方法的研究［D］.上海:華東師范大學(xué)，2006.

［3］朱珊瑩，陳幼平，張 岡，等.光譜吸收型光纖一氧化碳傳感器研究［J］，儀表技術(shù)與傳感器，2010(9):1－3.

［4］陸婉珍，袁洪福，徐廣通，等.現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù)［M］.北京:中國石化出版社，2000:73－77.

［5］Rothman L S，Gordon IE，Barbe A，et al.Updates to Current HITRAN 2008(v13.0)Data［DB/OL］.［2009—09—18］.http:∥www.cfa.harvard.edu/HITRAN/updates.html#Water.