光纖甲烷氣體傳感器

1、 光纖甲烷氣體傳感器摘要：基于甲烷氣體近紅外吸收的機(jī)理, 研究一種易于實(shí)現(xiàn)的光纖甲烷氣體傳感器。分析了半導(dǎo)體激光器的調(diào)制特性和諧波檢測(cè)的基本原理, 建立了傳感器的數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器做光源, 加入?yún)⒖脊饴泛蛥⒖細(xì)馐? 使光源輸出的中心波長鎖定在氣體的吸收峰上, 通過光源調(diào)制實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷氣體濃度的諧波檢測(cè),提出實(shí)施改進(jìn)方案，同時(shí)大氣和工業(yè)污染中的其他氣體分子的含量也可通過調(diào)換光源及相應(yīng)的光學(xué)器件采用類似的方法測(cè)量。關(guān)鍵字： 甲烷；近紅外吸收；諧波檢測(cè)；DFB半導(dǎo)體激光器；1. 引言甲烷是一種易燃易爆氣體,是沼氣、天然氣和多種液體燃料的主要成分。其在大氣中的爆炸下限為4. 9 %

2、 ,上限為15. 4 %。在煤礦井下瓦斯氣體中,甲烷所占的比重最大,在80 %以上。在我國煤礦安全事故中,瓦斯爆炸造成的傷亡占所有重大事故傷亡人數(shù)50 %以上。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)甲烷氣體的濃度、防止爆炸,對(duì)于工礦安全運(yùn)行、人身安全有著至關(guān)重要的作用。目前，甲烷氣體的監(jiān)測(cè)主要采用的化學(xué)傳感器和電子探測(cè)器，化學(xué)敏感元件容易受到表面污染,需要定期更換, 而且易受其他氣體的干擾, 長時(shí)間工作時(shí)存在零點(diǎn)漂移和靈敏度變化, 會(huì)直接影響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，而電子傳感器則需要防爆裝置，還需要定期檢驗(yàn)和校正。光纖甲烷氣體傳感器是應(yīng)用介質(zhì)對(duì)光吸收而使光產(chǎn)生衰減這一特性的吸收型光纖氣體傳感器具有傳輸功率損耗小,傳輸信息容量大,

3、抗電磁干擾能力強(qiáng),且耐高溫、高壓、腐蝕,絕緣、阻燃、防爆,易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)遙測(cè)和良好的氣體選擇性等特點(diǎn)。本文采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFB LD) ,其中心波長在1. 66 m ,并與二次諧波檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲烷氣體的諧波檢測(cè)。2.基本原理 2.1 檢測(cè)原理當(dāng)一束光強(qiáng)為I0 的平行光通過充有氣體的氣室時(shí),如果光源光譜覆蓋一個(gè)或多個(gè)氣體吸收線,光通過氣體時(shí)發(fā)生衰減,根據(jù)Beer-Lambert 定律,輸出光強(qiáng)I ( t)與輸入光強(qiáng)I0 ( t)和氣體濃度之間的關(guān)系為: （1）式中: ( f )為氣體吸收系數(shù), 即氣體在一定頻率f 處的吸收線型; L 為吸收路徑的長度; C 為氣體濃

4、度。 對(duì)式(1) 進(jìn)行變換,得: （2）所以通過檢測(cè)輸入光強(qiáng)和輸出光強(qiáng)的變化,加上已知的光程,就可以測(cè)得氣體的濃度值。諧波檢測(cè)技術(shù)被廣泛地用于微弱信號(hào)檢測(cè)。其基本原理是通過高頻調(diào)制某個(gè)依賴于頻率的信號(hào),使其“掃描”待測(cè)的特征信號(hào),然后在信號(hào)處理系統(tǒng)中,以調(diào)制頻率或調(diào)制頻率的倍數(shù)作為參考信號(hào),用鎖定放大器記錄下要得到的信息,這一特征信息具有調(diào)制信號(hào)的一系列諧波信息。 將式(1) 展開為傅里葉級(jí)數(shù)序列,它的一次諧波( f )和二次諧波信號(hào)(2 f ) 的系數(shù)分別為: （3） （4）下圖是光經(jīng)過氣體的信號(hào)，一次諧波和二次諧波信號(hào)，可以看出經(jīng)過諧波調(diào)制后信號(hào)明顯加強(qiáng)，便于測(cè)量。 圖 1 頻率調(diào)制實(shí)例

5、由式(3) 、式(4) 可知,二次諧波和一次諧波的比值不含I0 項(xiàng),用比值作為系統(tǒng)的輸出可以消除光強(qiáng)波動(dòng)等因素帶來的干擾。 （5）根據(jù)Beer-Lambert 定律,如果激光器的中心波長和氣體吸收峰中心波長對(duì)準(zhǔn),則通過測(cè)量光通過氣體時(shí)的損耗就可以檢測(cè)氣體的濃度。然而,一般氣體的吸收峰很窄,光源波長隨環(huán)境(溫度) 的漂移將引起光源中心波長偏離氣體吸收峰的中心波長,引起吸收系數(shù)隨溫度變化,因而也導(dǎo)致測(cè)量的不穩(wěn)定。通過光源頻率調(diào)制和附加參考?xì)怏w的方法將光源波長精確地穩(wěn)定在氣體吸收峰中心波長上,由于氣體的吸收特性,光經(jīng)過氣體的頻率調(diào)制轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度調(diào)制,其幅度大小正比于吸收峰的高度,也就正比于氣體的濃度。

6、式（4）二次諧波的幅度可用于測(cè)量氣體的濃度。2.2 甲烷的吸收譜帶特性甲烷氣體的本征吸收譜在1 = 3. 43m、2 =6. 78m、3 = 3. 31m 和4 = 7. 66m 處,然而工作在室溫下的激光器僅對(duì)2m 以下的波長適用,商用的低損耗光纖也限制在后者的波長范圍內(nèi)(1. 0 -1. 7m) 。甲烷的結(jié)合帶f 2 + f 3 和泛頻帶2 f 3 皆存在,分別為1. 3m和1. 6m ,如圖2 所示，圖2 表明,甲烷氣體在1. 6m 處的吸收強(qiáng)度遠(yuǎn)大于1. 3m 的吸收強(qiáng)度。 圖 2 甲烷氣體的吸收譜由甲烷氣體在1. 6m 處的精細(xì)結(jié)構(gòu)譜可知(見圖3) ,在1. 66m 支帶吸收線是相當(dāng)

7、強(qiáng)的,而且水蒸氣、二氧化碳等在此處無明顯的吸收。實(shí)驗(yàn)選用中心波長為1. 66m的分布反饋式半導(dǎo)體激光器( DFB LD)作為光源。 圖3 甲烷在1.66m處的精細(xì)結(jié)構(gòu)譜圖3.甲烷氣體檢測(cè)系統(tǒng) 3.1光源的選擇光纖氣體傳感器所選用光源應(yīng)滿足的條件是:輸出中心頻率同氣體的吸收譜線特征相吻合, 與光纖的低損耗窗口相適應(yīng), 溫度特性良好。由以上分析可知DFBLD的光源的中心譜線就在1. 66m處，因?yàn)榉植挤答伿? DFB )半導(dǎo)體激光器是將光柵放在半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)內(nèi)代替反射面進(jìn)行反射, 由于光柵只反射一定波長的光波, 所以在多個(gè)頻譜中選取了與光柵固有波長相同的光震蕩, 具有譜線窄、功率大、單縱模運(yùn)

8、行等特點(diǎn), 并且可以通過調(diào)制溫度和注入電流來粗調(diào)和精調(diào)其輸出波長。分布反饋式半導(dǎo)體激光器作為光源的氣體傳感技術(shù)在靈敏度、選擇性、動(dòng)態(tài)范圍、信噪比和響應(yīng)時(shí)間等方面比傳統(tǒng)方法有諸多優(yōu)點(diǎn), 是光纖氣體傳感器的首選光源。3.2氣室的選擇 在實(shí)驗(yàn)室中我們采用的是封閉式的氣室，這樣有利于實(shí)驗(yàn)的操作，且不污染環(huán)境，氣室選用特殊設(shè)計(jì)的小型漸變折射率透鏡構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)如圖 4, 小型漸變折射率透鏡可以設(shè)計(jì)帶尾纖, 能夠與光纖很好地耦合。 圖4 氣室結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中，我們考慮采用開放式的氣室，參考東京電力公司的一個(gè)氣體檢測(cè)設(shè)備用的探測(cè)頭，其結(jié)構(gòu)如圖 5，用這種器件構(gòu)成的氣室耦合損耗小, 易準(zhǔn)直, 小巧且易于安裝。 圖

9、5 氣體探測(cè)頭的結(jié)構(gòu) 圖6 探測(cè)頭的成品圖此氣室探測(cè)頭滿足一下要求： 在探測(cè)頭中，光通過“space propagation component”（空間組件）； 空間組件中的損耗和噪聲要小，便于測(cè)量低濃度甲烷氣體； 過濾器和空間組件可以更換；3.3系統(tǒng)的組成光纖甲烷傳感系統(tǒng)框圖如圖7所示, 主要由光源部分、測(cè)量光路、參考光路、調(diào)制電路、光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理部分組成。通過調(diào)節(jié)激光器的注入電流對(duì)其輸出波長進(jìn)行調(diào)制,使其掃描的范圍正好覆蓋氣體的某一個(gè)吸收峰。從DFB LD出射的激光經(jīng)光隔離器到50：50的光纖耦合器, 一部分光到測(cè)量氣室, 另外一部分到達(dá)參考?xì)馐? 參考?xì)馐已b有100%的純甲烷氣體,

10、從參考?xì)馐逸敵龅墓饨?jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào), 由鎖相放大器提取其一次諧波信號(hào)經(jīng)積分器作為反饋信號(hào)使激光器的輸出波長精確地鎖定在氣體的吸收峰上。從測(cè)量氣室輸出的光經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào), 用鎖相放大器提取其二次諧波信號(hào), 然后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理。 圖7 甲烷氣體檢測(cè)系統(tǒng)框架圖3.4測(cè)量結(jié)果通過測(cè)量不同濃度下的甲烷氣體的二次諧波信號(hào)幅值，在根據(jù)測(cè)量值進(jìn)行擬合，線性如圖8，表明二次諧波信號(hào)的幅值與氣體濃度之間有非常好的線性關(guān)系。圖8 甲烷氣體濃度檢測(cè)曲線4.總結(jié)與展望 光纖氣體檢測(cè)技術(shù)是一種新興的氣體檢測(cè)技術(shù), 隨著低損耗光纖的實(shí)用化, 它可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào), 把氣體敏感單元放在易燃、易爆、有毒、高溫的環(huán)境中, 在安全的地方進(jìn)行信號(hào)處理, 而且它還不受電磁干擾, 測(cè)量靈敏度高, 響應(yīng)速度快, 用波分復(fù)用技術(shù)易于組成傳感網(wǎng)絡(luò)。且本檢測(cè)系統(tǒng)可