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

(中南民族大學生物醫學工程學院，湖北武漢430074)

0 引言

隨著科學研究的飛速發展和生產技術的快速進步，水分的定量分析已被列為各類物質理化分析的基本項目之一，作為各類物質的一項重要質量指標。水分檢測廣泛應用于各行各業，可以是工農業產品的質量鑒定，也可以是工業生產的控制分析。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、輕工業例如:造紙技術、纖維中，通過對水分含量的嚴格控制使其產品達到合格的要求;在煙草生產過程中對水分含量的實時在線檢測以保證煙絲的質量。可以說，水分檢測已經滲透到醫藥衛生、食品安全、化工生產、居室環境等生產生活領域［1，2］。

水分子在中紅外有很強的吸收系數，在近紅外的吸收相對較弱。但是，由于中紅外的光纖非常昂貴，中紅外的光源性能不穩定等因素，昂貴的中紅外傳感器難以投入到生產實踐中來，而性價比相對較高的近紅外光纖傳感器則有巨大的應用前景［3］。水分子在近紅外波段內的吸收譜線主要是一級倍頻和合頻。O—H的伸縮振動基頻在2 941～4000 nm，一級倍頻在1499.9～2 200 nm。液態水的譜帶較寬，純水的O—H伸縮振動的一級倍頻約在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上，將光譜吸收技術、人工神經網絡技術及信號處理技術相結合，研制了基于光譜吸收原理的強度調制型光纖傳感器。

1 光纖傳感器的理論基礎

1.1 光譜吸收理論

當一束紅外光(單色或復合光均可)射穿或射到某種物質上時，如果被照射物質的分子選擇性地吸收輻射光中某些頻率波段或特定波長的光，則產生吸收光譜。吸收光譜中帶有分子的信息，即根據吸收光譜(具體就是光強的變化)可以檢測到分子的信息(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)函數的基礎上分析的，本文主要介紹基于漫反射原理的強度調制型光纖傳感器。

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

R，S和K之間的關系由下式(1)表示

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

1.2 神經網絡數學模型

神經網絡是把輸入樣本送入輸入層后，傳遞給第一層隱含層，經過傳輸函數處理后再傳遞給下一個隱含層，以此類推，最后一個隱含層的輸出作為輸出層的輸入，輸出最終結果，簡言之，是通過輸入輸出的數據利用數學技巧來完成系統數學模型的構建。

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

光纖傳感器的神經網絡模型輸入層為3個神經元，即輸出電壓、參考光路信號VR、測量光路信號VS;輸出層一個神經元，即待測樣品的濃度。隱含層多可以進一步降低誤差，提高精度，但同時也會使網絡過于復雜化，從而增加訓練網絡的時間。研究表明:當隱含層為1～2層時，其網絡收斂性最佳，所以，這里確定隱含層為2層。

神經網絡實現是通過誤差面尋優過程的訓練來完成的，標準的BP算法采用以最小均方差為目標的梯度下降法，這種方法是網絡的權重和閾值沿著網絡誤差變化的負梯度方向進行調節，最終使誤差達到極小值或最小值。具體如圖1所示。

圖1 神經網絡的模型Fig 1 Model of neural network

2 系統設計

2.1 光纖傳感器關鍵部件的設計分析

水分子是不規則分子，所以，它的吸收譜線極其不規則，應盡量選擇吸收譜線密集的波長。圖2、圖3所示為根據HITRAN數據庫［5］得出的精細譜線。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度較強處的波長，從圖3(波數在7280～7380 cm－1之間的詳細吸收譜線)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度為1.25×10－20cm－1/(molecule×cm－2)，即應選擇中心波長輸出含有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光源2種，非相關光源包括熱源、氣體放電光源和發光二極管，相干光源主要是指為各種工作環境設計的激光器。其中，在光纖傳感系統中比較常用的光源是半導體激光器(LD)和發光二極管(LED)。

本文選用新加坡Denselight公司生產的超窄線寬半導體LD作為本傳感器的光源，單模光纖輸出，設計調制速率可達662 Mbps。該 LD基于外腔激光器設計，內置光纖Bragg光柵保證非常穩定的激光波長輸出，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1383 nm，典型光譜線寬5 kHz，最小輸出功率5 mW，最小SMSR為35dB，內置TEC和熱敏電阻器，通過調節注入電流的大小和管芯的溫度來控制光源的輸出波長，最終使光源的輸出波長和吸收譜線相吻合。

本文所用的反射式樣品池組成如圖4所示。其中，螺旋微動頭的固定套管用內六角螺釘固定在室體的機架上，螺旋微動頭的微動螺桿與動板通過聯軸器連在一起。

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

圖4 反射式樣品池結構圖Fig 4 Structure diagram of reflective sample cell

樣品池的工作原理是:通過旋轉微動頭的轉動實現動板的上下移動，完成了安裝在蓋板上的光纖探頭與被檢測物之間距離的調節。移動量可以通過固定套管上的刻度盤讀出。每當旋轉微分頭的外刻度筒一周時，微動螺桿便向上或向下移動一個螺距0.5 mm。這樣，當微分筒旋轉一個刻度后和旋轉1/50轉時，微動螺桿便帶動動板垂直方向(向上或向下)移動(1/50)×0.5 mm=0.01 mm，亦即本氣室的距離調節精度為0.01 mm。通過旋轉微分頭可以選擇最佳檢測距離。

2.2 系統總體結構設計

光纖傳感器主要由光路系統、前置放大處理以及數據處理系統組成。光路系統的任務是完成信號的檢測，通過漫反射檢測原理和待測物質的分子對光源中的特定光譜的吸收，從而使光強減弱，光強減弱的程度反映物質中分子的含量，光路系統使含有待測分子信息的光發送到光電探測器。發送到光電探測的光信號極其微弱，前置放大處理是把接收到的微弱光信號轉換為電信號，并進行濾波等預處理。數據處理系統是把前置放大處理后的信號進行處理，并輸出結果，總體結構圖如圖5所示。

光源驅動主要包括三部分，溫度控制、電流驅動和調制信號，溫度控制是控制LD的管芯溫度，電流驅動是控制注入電流的大小，通過調節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。本系統對光源采用的是正弦波調制。從光源LD發出的光經過耦合器分為兩路，一路經過參考樣品池，另一路經過檢測樣品池。從樣品池反射回來的光發送到光電探測器上，由光電探測器轉換為微弱電壓信號，微弱信號經過調制與處理板的放大、濾波等處理后由NI數據采集卡采集，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 實驗結果與分析

實驗開始前，先調節參考光路和檢測光路的輸出光強，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參考樣品池中，把有一定水分含量的紙張放入檢測樣品池中，標定前設置，當水分含量為零時，電壓輸出為1 V，檢測數據如表1所示。

表1 傳感器測試數據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系，這與前面理論建模的分析結果相同。但不能測量出水分含量為0～15%區間內任意值的實驗數據，所以，采用神經網路原理研究水分含量與輸出值的關系。

以三層BP網絡作為擬合器，輸入、輸出層都為1個神經元，中間層為2個神經元，實測數據為表1所示。以0.005為終止精度，經過395次訓練達到終止精度，圖6為訓練誤差曲線。

圖6 訓練誤差曲線Fig 6 Training error curve

網絡訓練完成后，擬合模型如圖7所示。

圖7 擬合曲線Fig 7 Fitting curve

4 結束語

理論與實驗證明:采用光譜吸收原理可以實現水分含量的檢測。雙光路結構的使用有效消除了光路中光強的衰減、光源的零點漂移、電磁干擾等因素的影響。采用可調節反射樣品池使最佳檢測點容易分辨，人工神經網絡進行數據的處理和擬合，減少了測量誤差。總之，傳感器響應速度快、抗干擾、適用于易燃易爆等惡劣環境，并且可實現遠距離現場實時檢測。

［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，2007.

［2］趙奕陽.光纖傳感式紅外水分測量方法的研究［D］.上海:華東師范大學，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］，儀表技術與傳感器，2010(9):1－3.

［4］陸婉珍，袁洪福，徐廣通，等.現代近紅外光譜分析技術［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.