基于激光近紅外光譜的甲烷氣體濃度檢測

基于激光近紅外光譜的甲烷氣體濃度檢測

1實時熒光傳感器的應(yīng)用甲烷是一種易分解的氣體。這是沼氣、天然氣和各種液體燃料的主要成分。其在大氣中的爆炸下限為4.9%,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。實時監(jiān)測甲烷氣體的濃度、防止爆炸,對于工礦安全運行、人身安全有著至關(guān)重要的作用。應(yīng)用介質(zhì)對光吸收而使光產(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,抗電磁干擾能力強,且耐高溫、高壓、腐蝕,絕緣、阻燃、防爆,易于實現(xiàn)遠(yuǎn)距離實時遙測和良好的氣體選擇性等特點。本文采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFBLD),其中心波長在1.66μm,并與二次諧波檢測技術(shù)相結(jié)合,實現(xiàn)了對甲烷氣體的諧波檢測,系統(tǒng)的檢測靈敏度為7×10-5/m。2氣體表的檢測原理和性能2.1譜線諧波信號檢測當(dāng)一束光強為I0的平行光通過充有氣體的氣室時,如果光源光譜覆蓋一個或多個氣體吸收線,光通過氣體時發(fā)生衰減,根據(jù)Beer-Lambert定律,輸出光強I(t)與輸入光強I0(t)和氣體濃度之間的關(guān)系為:I(t)=I0(t)exp[-α(f)CL](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為氣體濃度。對式(1)進(jìn)行變換,得:C=1α(f)LlnI0(t)I(t)(2)C=1α(f)LlnΙ0(t)Ι(t)(2)所以通過檢測輸入光強和輸出光強的變化,加上已知的光程,就可以測得氣體的濃度值。諧波檢測技術(shù)被廣泛地用于微弱信號檢測。其基本原理是通過高頻調(diào)制某個依賴于頻率的信號,使其“掃描”待測的特征信號,然后在信號處理系統(tǒng)中,以調(diào)制頻率或調(diào)制頻率的倍數(shù)作為參考信號,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)制信號的一系列諧波信息。將式(1)展開為傅里葉級數(shù)序列,它的一次諧波(f)和二次諧波信號(2f)的系數(shù)分別為:If=I0η(3)I2f=-kαoCLI0(4)由式(3)、式(4)可知,二次諧波和一次諧波的比值不含I0項,用比值作為系統(tǒng)的輸出可以消除光強波動等因素帶來的干擾。I2fIf=?2kηα0CL(5)Ι2fΙf=-2kηα0CL(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準(zhǔn),則通過測量光通過氣體時的損耗就可以檢測氣體的濃度。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。一次諧波為零,二次諧波的幅度可用于測量氣體的濃度。2.2實驗結(jié)果和討論甲烷氣體的本征吸收譜在λ1=3.43μm、λ2=6.78μm、λ3=3.31μm和λ4=7.66μm處,然而工作在室溫下的激光器僅對2μm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)(1.0～1.7μm)。甲烷的結(jié)合帶f2+f3和泛頻帶2f3皆存在,分別為1.3μm和1.6μm,如圖1所示。圖1表明,甲烷氣體在1.6μm處的吸收強度遠(yuǎn)大于1.3μm的吸收強度。由甲烷氣體在1.6μm處的精細(xì)結(jié)構(gòu)譜可知(見圖2),在1.66μm的Q(6)支帶吸收線是相當(dāng)強的,而且水蒸氣、二氧化碳等在此處無明顯的吸收。DFBLD性能好,穩(wěn)定性好,其中心波長可以通過改變溫度或注入電流來調(diào)節(jié),所以選用λ為1.66μm的DFBLD作為激發(fā)光源,檢測甲烷氣體的濃度。3dfbld的頻率調(diào)制諧波檢測法檢測氣體濃度的框圖如圖3所示。圖3中,采用的DFBLD前后兩面均發(fā)射激光。后面激光穿過參考?xì)馐?里面充有固定濃度的甲烷。當(dāng)激光中心平均波長對準(zhǔn)氣體吸收峰的波長,輸出光應(yīng)該包含有調(diào)制頻率的二次諧波。同時,一次諧波近似為零,若有偏差,就會有一次諧波產(chǎn)生,利用一次諧波作為反饋信號可以將光源波長精確地鎖定在氣體吸收峰上。DFBLD的中心波長通過調(diào)節(jié)激光器的溫度來實現(xiàn)。對于波長鎖定的激光器,輸出前向正弦調(diào)制光,通過氣體吸收盒后,由于氣體的吸收效應(yīng),頻率調(diào)制轉(zhuǎn)換為強度調(diào)制,其幅度的大小正比于氣體的濃度。帶著氣體濃度信息的光照射在光電二級管(PIN)上,使之轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)過鎖相放大器的兩路頻率信號進(jìn)入除法器,二次諧波與一次諧波的比值作為系統(tǒng)的輸出,消除光源波動等共模噪聲,通過調(diào)制同步檢測電路及單片機控制、數(shù)據(jù)采集、處理與計算機通訊,顯示測量數(shù)據(jù)。4氣室注入的氣體實驗中,選擇氣室長度L為10cm,參考?xì)馐议L度為3cm,氣室有進(jìn)氣孔、出氣孔,進(jìn)氣孔通過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。光纖長度為100m,內(nèi)徑為100μm。采用不同濃度的甲烷氣體分別注入氣室中進(jìn)行測量,試驗數(shù)據(jù)如圖4所示。實驗結(jié)果表明,研制的光纖氣體傳感器系統(tǒng)的性能穩(wěn)定,靈敏度高,重復(fù)性好。5探測靈敏度結(jié)果采用λ為1.66μm的DFBLD甲烷諧