用于ch4氣體早期安全檢測(cè)的光纖氣體傳感器

用于ch4氣體早期安全檢測(cè)的光纖氣體傳感器

氣體傳感器的應(yīng)用甲醇是礦山、工業(yè)和城市氣體的爆炸成分。環(huán)境中的ch4氣體需要初始安全檢測(cè)。研制甲烷氣體檢測(cè)系統(tǒng)已成為氣體檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題和研究方向。由于光纖氣體傳感器具有傳輸功率損耗小,傳輸信息容量大,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優(yōu)點(diǎn),吸引了眾多科技工作者從事這方面的研究。許多種氣體在紅外波段有本征吸收,在近紅外和可見(jiàn)波段有較弱的泛頻吸收線。硅光纖的低損耗窗口的波長(zhǎng)覆蓋了0.8～1.7μm范圍,在這一波段發(fā)光器件和接收器件都是比較理想的光電轉(zhuǎn)換器件。因此光纖氣體傳感器可以用于環(huán)境檢測(cè)、過(guò)程控制,尤其是在惡劣環(huán)境下的在線、連續(xù)監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮著重要作用。工作于室溫的半導(dǎo)體激光器LD和發(fā)光二極管LED發(fā)射波長(zhǎng)與光線的三個(gè)低損耗窗口相一致,也與許多環(huán)境和工業(yè)氣體的泛頻和復(fù)合吸收譜線相一致。但由于吸收譜寬僅為幾個(gè)納米,一般用于氣體探測(cè)的發(fā)光二極管的帶寬為20～100nm,氣體吸收僅占光源光強(qiáng)的幾千分之一,比光源光強(qiáng)變化的噪聲還要小,測(cè)量靈敏度不高。甲烷氣體的倍頻(2v3)和復(fù)合頻(v2+2v3)分別位于1.6μm和1.3μm附近,在石英的低損耗區(qū),光源技術(shù)也相對(duì)成熟,是目前技術(shù)條件下的最佳選擇。本文采用1.3μm波段的LED做光源,利用信號(hào)處理的二次諧波測(cè)量,顯著提高了測(cè)量靈敏度,改善了穩(wěn)定性。1次諧波補(bǔ)償根據(jù)比爾-朗伯定律,有式中I為光通過(guò)介質(zhì)吸收后的透射光強(qiáng);I0為入射到介質(zhì)的光強(qiáng);α為摩爾分子吸收系數(shù);C是介質(zhì)的濃度;L則是光通過(guò)介質(zhì)的濃度。如果激光器的中心波長(zhǎng)和氣體吸收峰中心波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn),則通過(guò)測(cè)量光經(jīng)過(guò)氣體時(shí)的損耗就可以檢測(cè)氣體的濃度。由于氣體的吸收峰很窄,光源波長(zhǎng)隨環(huán)境(溫度)的漂移將引起光源中心波長(zhǎng)偏離氣體吸收峰中心波長(zhǎng),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。實(shí)用中需要將光源波長(zhǎng)精確地穩(wěn)定在氣體吸收峰中心波長(zhǎng)上,波長(zhǎng)的穩(wěn)定可用光源頻率調(diào)制和附加參考?xì)馐业姆椒▉?lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)鎖定后,激光器輸出為一正弦調(diào)頻的光,其中心頻率和氣體吸收峰中心對(duì)準(zhǔn)。由于氣體的吸收特性,光經(jīng)過(guò)氣體后,頻率調(diào)制轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度調(diào)制,其幅度的大小正比于吸收峰的高度,也就正比于氣體的濃度。一次諧波為零,二次諧波的幅度可用于測(cè)量氣體的濃度。所謂窄帶光源就是在考慮光源光波的譜分布和氣體分子的吸收線型時(shí),光源譜分布帶寬δλs與氣體吸收線帶寬δλ相比滿足δλs<<δλ。光通過(guò)氣體時(shí),準(zhǔn)單色光波場(chǎng)與氣體分子相互作用,可將單色輻射能量密度ρ(λ-λ0)表示為δ的函數(shù)形式,即有式中λ0s為光波場(chǎng)的中心波長(zhǎng)。當(dāng)光源的輸出光波長(zhǎng)被一正弦波調(diào)制時(shí),即λ0s滿足式中λdc為光源靜態(tài)波長(zhǎng);δ稱為調(diào)制深度。令?λ=λdc-λ0,即?λ為線譜光源靜態(tài)工作波長(zhǎng)與氣體吸收譜線中心波長(zhǎng)的差,考慮到ρ(λ)的函數(shù)形式,則式(4)可寫(xiě)為當(dāng)光源中心波長(zhǎng)與氣體吸收線中心對(duì)齊,即?λ=0時(shí),式(6)可寫(xiě)為由于氣體吸收線型函數(shù)g始終為偶函數(shù),因此對(duì)式(7)進(jìn)行傅里葉展開(kāi)可知,除了直流含量外,只有偶次諧波,而一次諧波含量為零,二次諧波是各次諧波中最強(qiáng)的諧波。檢測(cè)二次諧波可以得到濃度信息。利用一次諧波作為誤差信號(hào),光源波長(zhǎng)就能精確鎖定在氣體吸收峰上。對(duì)于DFB半導(dǎo)體激光器,最方便的頻率調(diào)制方法是調(diào)制激光器的注入電流,但電流的調(diào)制也將引起激光器輸出光強(qiáng)的調(diào)制,這意味著即使光源的中心波長(zhǎng)和吸收峰的中心波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn),一次諧波也將不為零。換句話說(shuō),利用一次諧波作為誤差信號(hào),光源波長(zhǎng)并不能精確地鎖定在吸收峰上,必須根據(jù)注入電流調(diào)制的解析分析,進(jìn)行偏差補(bǔ)償。當(dāng)激光器的注入電流以mi0sinωt調(diào)制時(shí),導(dǎo)致輸出光功率的調(diào)制,由式(2)得式中λ0s為光源直流偏置i0時(shí)光源的輸出波長(zhǎng)。在實(shí)際測(cè)量中,一次諧波為一常值偏差,偏差大小取決于光強(qiáng)調(diào)制幅度的大小。解決這一問(wèn)題的方法是在檢測(cè)到的一次諧波中引入一個(gè)和強(qiáng)度調(diào)制等值反號(hào)的信號(hào),進(jìn)行偏差補(bǔ)償,補(bǔ)償后的信號(hào)經(jīng)過(guò)積分,用于反饋控制激光器中心波長(zhǎng),中心波長(zhǎng)的確定可以通過(guò)調(diào)節(jié)激光器注入電流的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。2激光傳感檢測(cè)系統(tǒng)光譜吸收式光纖甲烷傳感系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用1300nm波段的DFBLD(分布反饋式半導(dǎo)體激光器)作為光源,其光譜寬度?λ≤1nm,輸出光功率≥1mW,短期穩(wěn)定度(dB/15min)和長(zhǎng)期穩(wěn)定度(dB/8h)分別為±0.005和±0.03。該DFBLD采用穩(wěn)頻措施前后兩面均發(fā)射激光,利用后向激光穿過(guò)參考?xì)馐?檢測(cè)一次諧波信號(hào),精確鎖定激光器中心波長(zhǎng)于氣體吸收峰上。用低損石英光纖作遠(yuǎn)距離光源與信號(hào)傳輸通道,光源采用低功率脈沖調(diào)諧分布反饋式半導(dǎo)體LD,利用多次反射取樣吸收氣室保證測(cè)量靈敏度。采用低噪聲、高靈敏度的InGaAsPIN光電二極管作為光電探測(cè)器,其波長(zhǎng)響應(yīng)范圍為1100nm～1900nm,可以滿足甲烷氣體檢測(cè)的要求。鎖相放大器作為信號(hào)處理單元的核心器件,可以有效抑制噪聲,提高信噪比,得到很高的靈敏度。用鎖相放大器檢測(cè)基頻和倍頻信號(hào),通過(guò)基頻信號(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的反饋使基頻信號(hào)為零。通過(guò)測(cè)量直流和二次諧波信號(hào),經(jīng)計(jì)算機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)與通訊,顯示出甲烷氣體的濃度。系統(tǒng)采用把光纖傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)實(shí)施方案。集傳感光信號(hào)和激發(fā)光功率傳輸與被測(cè)量傳感為一體,充分發(fā)揮光纖系統(tǒng)、微電子電路與計(jì)算機(jī)兼容的優(yōu)勢(shì),使整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到光、機(jī)、電一體化,多參數(shù)和多功能。3次諧波鎖相檢測(cè)實(shí)驗(yàn)和穩(wěn)定度測(cè)試實(shí)驗(yàn)中選擇氣室長(zhǎng)度L為50cm,氣室有進(jìn)氣孔、出氣孔,進(jìn)氣孔通過(guò)針閥控制注入氣室的氣體流量,出氣孔接有真空泵,可使氣室抽真空。光纖長(zhǎng)度100m,內(nèi)徑100μm,其在1.3～1.5μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的傳輸損耗低于1dB/km。鎖相放大器的積分時(shí)間為5s。二次諧波鎖定放大器的輸出和直流分量經(jīng)除法器后由A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)系統(tǒng),經(jīng)數(shù)據(jù)處理后由LCD顯示檢測(cè)結(jié)果。采用不同濃度的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體(填充氣體為氮?dú)?分別注入氣室中,進(jìn)行測(cè)量,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。在甲烷氣體濃度為0.10%時(shí),測(cè)量二次諧波鎖相放大后的輸出信號(hào)。以光電檢測(cè)時(shí)電流-電壓轉(zhuǎn)換中的前置放大器為主要噪聲電壓源,根據(jù)鎖相放大器的帶寬,可以推算出經(jīng)甲烷氣體吸收后其信噪比S/N約為110,按鎖相放大器為1時(shí)看作是檢測(cè)的極限,那么該系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度約為10ppm。用純凈的N2和5%的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體,測(cè)量系統(tǒng)的零點(diǎn)和測(cè)量范圍上限后,依次注入濃度在其間的標(biāo)準(zhǔn)氣體,記錄通入后的實(shí)際示值,進(jìn)行系統(tǒng)的示值比對(duì)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2的比對(duì)結(jié)果,計(jì)算示值相對(duì)誤差A(yù)式中Cm為系統(tǒng)顯示值,Cs為標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度,R為量程?？芍到y(tǒng)的示值相對(duì)誤差為0.1%。調(diào)整好系統(tǒng)的零點(diǎn)和上限點(diǎn),然后把1%的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體注入氣室,將示值穩(wěn)定后,記錄示值。連續(xù)運(yùn)行12小時(shí),每一小時(shí)作為時(shí)間間隔注入標(biāo)準(zhǔn)氣體,分別記錄儀表顯示值,進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定度測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,系統(tǒng)的靈敏度、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)都達(dá)到了氣體測(cè)量的要求。4在線充放電檢測(cè)理論與實(shí)驗(yàn)表明,本文論述的光譜吸收式光纖甲烷氣體傳感器可用于對(duì)甲烷氣體的檢測(cè)。系統(tǒng)采用1300nm波段DFBLD作為光源,低損耗的石英光纖作為信號(hào)傳輸通道,并選用高靈敏度低噪聲的PIN光電二極管作為光電探測(cè)器件,鎖相放大器用于對(duì)傳輸信號(hào)的相敏檢波,可有效抑制系統(tǒng)噪聲和各類同性干擾,系統(tǒng)的靈敏度可達(dá)到10ppm。采用諧波檢測(cè)技術(shù)和差分吸收檢測(cè)原理,使得傳感器對(duì)環(huán)境光量變化、暗電流噪聲、溫度漂移的干擾均有一定的抑制作用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得到二次諧波信號(hào)最大值對(duì)應(yīng)的調(diào)制幅度值,即調(diào)制幅度的最佳值。由于不同氣體的吸收譜線的譜間隔不同,位置也不同,因此不會(huì)與其他氣體(如C2H2,NH3,H2O等)產(chǎn)生交叉靈敏度問(wèn)題,保證測(cè)量的唯一性。利用長(zhǎng)距