基于近紅外吸收的光譜吸收型光纖co氣體傳感器

基于近紅外吸收的光譜吸收型光纖co氣體傳感器

1基于co氣體濃度的全光纖傳感檢測近年來，傳統(tǒng)的co氣敏傳感器在工藝和材料上取得了很大的發(fā)展，但仍然存在表面污染、穩(wěn)定性差、易老化、氣體選擇性差和通風(fēng)性差等問題。而采用LED寬帶光源吸收檢測方法靈敏度不高;分布反饋(DFB)LD窄帶光源雖然是氣體傳感的比較理想光源,但由于其價格昂貴,限制了它的應(yīng)用。因此,研究新型的CO氣體的檢測方法與傳感器就成為傳感技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的一個重要課題。本文基于CO氣體的光譜吸收特性,設(shè)計(jì)了一種檢測CO氣體濃度的全光纖傳感系統(tǒng),通過光纖光柵和壓電陶瓷(PZT)對LED寬帶光源進(jìn)行波長調(diào)制,獲得窄帶出射光,檢測其二次諧波,實(shí)現(xiàn)CO氣體濃度的高靈敏度測量。該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)靈活、靈敏度高和抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn),并且可將傳感頭放置在人和儀器不易進(jìn)入的CO氣體濃度很高的有毒環(huán)境中,實(shí)現(xiàn)在線、連續(xù)遙控遙測。2bragg波長的電調(diào)諧光纖光柵調(diào)制當(dāng)光源光譜覆蓋1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(qiáng)I(λ)與輸入光強(qiáng)I0(λ)和氣體濃度之間的關(guān)系為I(λ)=I0(λ)exp[-α(λ)LC](1)式中,α(λ)是一定波長下,單位濃度、單位長度的介質(zhì)吸收系數(shù);L是吸收路徑的長度;C是氣體濃度。如果L與α(λ)已知,那么通過檢測I(λ)和I0(λ)就可以測得CO氣體的濃度。這就是光譜吸收法測量氣體濃度的基本原理。CO氣體的吸收譜線非常窄,寬帶光源LED的譜線寬度一般為20～100nm,覆蓋CO的多個吸收線,氣體吸收僅占光源光強(qiáng)的幾1/103,比光源光強(qiáng)變化的噪聲還要小,靈敏度不高。因而,選擇窄帶光源是比較理想的選擇。DFBLD雖然是氣體傳感用比較理想的光源,但由于其價格昂貴,限制了它的應(yīng)用。光纖光柵是光纖芯區(qū)折射率受永久性、周期性調(diào)制的一種特種光纖,其在纖內(nèi)形成窄帶的濾波器。各種波長的光通過光纖光柵時,透射率極大,只有那些滿足Bragg波長條件的光被強(qiáng)烈地反射,即透射率極小?？梢圆捎盟鼘ED進(jìn)行反射濾光,獲得與吸收譜線相適應(yīng)的窄帶出射光以提高靈敏度。采用光纖光柵進(jìn)行窄帶濾光后的出射光的中心波長是Bragg波長,其為λB=2neffΛ(2)式中,neff為等效折射率;Λ為光柵周期。理論上可以證明,經(jīng)過光纖光柵的反射光在中心波長附近近似服從Gauss分布。因此用Gauss方程來描述,即有Ρ(λ)≈Ρ0exp[-4(λ-λB)Δλ2ln2](3)P(λ)≈P0exp[?4(λ?λB)Δλ2ln2](3)其中,P(λ)為在波長λ處的反射光譜密度;Δλ是Bragg反射半值全寬(FWHM)。PZT、光纖光柵與光源和耦合器的連接如圖1所示。利用PZT在電場作用下,尺寸發(fā)生變化的特性,實(shí)現(xiàn)對Bragg波長的調(diào)制。將光纖光柵粘在PZT上,改變PZT兩端的電壓,PZT就會帶動光纖光柵伸縮,從而改變Bragg波長。這種采用PZT的電調(diào)諧光纖光柵器件,結(jié)構(gòu)簡單,易于實(shí)現(xiàn)。對于石英光纖,因外力軸向應(yīng)力而引的Bragg波長λB的相對變化為ΔλB/λB=0.78ε(4)式中,ΔλB表示中心波長的偏移;ε為光纖光柵軸向應(yīng)變?？梢愿鶕?jù)式(4)來選擇PZT的性能參數(shù)如壓電系數(shù)、總伸長量和對PZT施加的電壓范圍等。LED受恒流驅(qū)動,維持不變的功率輸出。對PZT施加交變電壓,它將帶動光纖光柵周期性伸縮。Bragg波長可表示為λB=λ0+bcosωt(5)CO分子的吸收系數(shù)如圖2所示。圖中,λ0為中心波長,對應(yīng)于CO氣體的吸收峰。設(shè)ω為PZT調(diào)制頻率;b為調(diào)制幅度,b=λ2-λ1。在對PZT施加交變電壓的同時,氣體的吸收系數(shù)將成周期性變化。經(jīng)過光纖光柵反射后,入射到氣室的光譜密度為Ρ(λ)≈Ρ0exp[-4(λ-λ0-bcosωt)2Δλ2ln2](6)P(λ)≈P0exp[?4(λ?λ0?bcosωt)2Δλ2ln2](6)考慮到入射光的譜分布和氣體分子的吸收線型以及整個光路的干擾和不穩(wěn)定因素,設(shè)總的耦合系數(shù)為η,則Beer-Lambert定律應(yīng)改寫為Ι=ηλb∫λaΡ(λ)e-α(λ)LCdλ(7)I=η∫λaλbP(λ)e?α(λ)LCdλ(7)式中,λa到λb為有效波長范圍,理論上應(yīng)分別取0和∞,但由于式(3)所描述的Gauss曲線在波長偏離中心波長較大時,光譜密度迅速下降,因此可以取優(yōu)化值。實(shí)際測量中,系統(tǒng)的工作環(huán)境接近101kPa大氣壓,紅外光譜受多普勒加寬的影響不大,碰撞加寬起主要作用。因此可以用Lorentz曲線描述CO分子的吸收譜線型,即α(λ)=α01+(λ-λgγ1/2)2(8)α(λ)=α01+(λ?λgγ1/2)2(8)式中,α(λ)表示對應(yīng)波長λ處的吸收系數(shù);λg為對應(yīng)吸收峰;γ1為帶阻尼的電偶極振子的衰減速率。利用近似公式e-αLC=1-αCL得Ι=ηΡ0λb∫λaexp[-4(λ-λ0-bcosωt)2Δλ2ln2]*I=ηP0∫λaλbexp[?4(λ?λ0?bcosωt)2Δλ2ln2]*[1-α0LC1+(λ-λgγ1)2]dλ(9)[1?α0LC1+(λ?λgγ1)2]dλ(9)調(diào)節(jié)PZT的直流偏置電壓,使得光纖光柵中心波長與氣體吸收峰對準(zhǔn)λ0=λg。取優(yōu)化近似值:λa=λ0+bcosωt-1.5γ,λb=λ0+bcosωt+1.5γ,并進(jìn)行積分代換令λ′=λ-λ0-bcosωt,則Ι=ηΡ0-ηΡ0α0LC1.5γ∫-1.5γf(λ??)dλ(10)其中,?=ωt?f(λ??)=exp(-4λ2Δλ2ln2)?11+(λ+bcos?γ1/2)2。對式(10)進(jìn)行傅立葉變換,其積分項(xiàng)包括了基頻為ω的各次諧波分量。可以證明,式(10)中所包含的頻率為ω的基波分量為零,即π∫-π1.5γ∫-1.5γf(λ??)cos?dλd?=0(11a)由于f(λ,ue001?)為關(guān)于ue001?的偶函數(shù),所以π∫-π1.5γ∫-1.5γf(λ??)sin?dλd?=0(11b)則式中不包含一次諧波,又因f(λ,ue001?)sinue001?為關(guān)于ue001?的奇函數(shù),所以π∫-π1.5γ∫-1.5γf(λ??)sin2?dλd?=0(12a)因此探測器輸出信號的二次諧波分量幅值為Ι(2ω)=-1π?ηΡ0α0LCπ∫-π1.5γ∫-1.5γf(λ??)cos?dλd?(12b)式中的二重積分項(xiàng)為常數(shù)?？梢岳糜?jì)算機(jī)通過數(shù)值積分得到數(shù)值解,因此二次諧波與氣體濃度成正比。式(12)仍然包含光源光強(qiáng)因子,為了消除其影響,可以同時檢測光纖光柵的透射光強(qiáng),即ΙR=Ρ0-∞∫0Ρ(λ)dλ=kΡ0(13)用二次諧波分量I(2ω)與IR相除,有Ι(2ω)ΙR=-ηα0LCπkπ∫-π1.5γ∫-1.5γf(λ??)cos?dλd?=0(14)可以消除光源老化或光功率波動等因素帶來的影響并提高檢測靈敏度,因此諧波檢測是一種較先進(jìn)的氣體濃度檢測方法。3光纖放大器和氣室設(shè)計(jì)CO氣體濃度檢測系統(tǒng)如圖3所示。CO在4.66μm、2.2μm和1.567μm等附近有吸收峰,可用直接吸收方法測量。由于受到光纖損耗的限制,選擇光纖低損耗窗口1.1～1.7μm之間的吸收譜線進(jìn)行吸收測量。在1.567μm附近,石英光纖損耗小,可以用作傳感波長。CO氣體在1560～1595nm大約有40條吸收譜線,其詳細(xì)吸收譜線如圖4所示。可見,CO氣體在1.567μm有較強(qiáng)的吸收。選擇高穩(wěn)定性大功率輸出的LED作光源,其中心波長為1550nm,光譜覆蓋很寬。當(dāng)需要進(jìn)一步提高檢測靈敏度而必須增大出射光強(qiáng)時,可采用光纖放大器。它具有連續(xù)的發(fā)光譜,光譜寬度通常為幾10nm,但出射光強(qiáng)卻大得多。LED本身帶有尾纖輸出,光纖耦合器為2×2雙向傳輸,傳輸比為50%∶50%;光纖光柵的Bragg中心波長為1.567μm,Δλ=0.2nm,光柵總長L=2cm,最大反射率系數(shù)R>90%。經(jīng)過光柵反射,從耦合器到氣室的是窄帶的中心波長為1.567μm的出射光。系統(tǒng)中,氣室為敏感元件,由輸入/輸出透鏡組成。從光纖中出射的光,經(jīng)輸入透鏡準(zhǔn)直變?yōu)槠叫泄?透過氣室,由另一透鏡耦合到輸出光纖中。設(shè)計(jì)氣室時,使吸收光程盡可能大,光路的耦合損耗小,耦合狀態(tài)穩(wěn)定。選擇小型漸變折射率透鏡,這種透鏡器件和光纖匹配性好。帶尾纖的變折射率透鏡,傳輸光纖和透鏡尾纖直接熔接在一起,改善了耦合的穩(wěn)定性問題。在氣室進(jìn)氣口設(shè)置3層薄膜來消除其它氣體給CO傳感帶來的影響。1#薄膜吸附有干燥劑;可消除水蒸汽;2#薄膜吸附有堿性物質(zhì),吸收CO2等酸性氣體;3#薄膜吸附有酸性物質(zhì),可以吸收NH3等堿性氣體。經(jīng)以上處理,可消除干擾氣體影響。光傳輸?shù)綔y量氣室后,光能與CO氣體發(fā)生相互作用。然后,將攜帶有濃度信息的光信號傳輸?shù)絇IN光探測器轉(zhuǎn)換成電信號,送入鎖相放大器,檢測二次諧波,再經(jīng)過低噪聲、高靈敏度的低通濾波電路,消除背景光的交流漂移和PIN的暗電流,并濾除信號中的高頻噪聲,與另一路透射參考光路信號相除,以消除光源影響,提高了靈敏度。經(jīng)過上述處理的反映氣體濃度的信號被送入A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后,送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、顯示及打印。4氣室“沖洗”氣體量的檢測選擇氣室長度為40cm,單模光纖長度為100m,在1.55μm波段的傳輸損耗為0.2dB/km。在實(shí)驗(yàn)前,對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。利用N2對氣室進(jìn)行“沖洗”,即可認(rèn)為氣室中沒有待測氣體,這時系統(tǒng)的輸出就是“零點(diǎn)”。將不同濃度的CO標(biāo)準(zhǔn)氣體注入氣室進(jìn)行測量,記錄通入后的實(shí)際示值如表1所示。根據(jù)表中的對比結(jié)果,按照z=(Cm-Cf)/Y×100%計(jì)算示值相對誤差。式中,Cm為