检测大气污染光纤传感器

1、监测大气污染光纤传感器刘非 1132130107航天学院 电子信息科学技术系指导教师：刘丽华摘要：在大气中有碍人体健康、有害生物和植物的代表物有:氮氧化物、二氧化碳、二氧化硫、有机磷化物等等。大气污染监测的任务就是对有害物质的来源、分布、数量、动向等进行观察、分析。早期的激光雷达可以对污染空气进行连续、实时地监测, 但是由于激光雷达需要直线地、无障碍地传输, 因此它只能监测高空中污染气体浓度, 其监测质量与大气能见度有关 。由于光纤传感器具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全、灵敏度高、便于复用, 便于成网等诸多优点以及广泛研究, 已出现了多种用于大气污染监测的光纤传感器。如监测城市和工业区

2、中的大气污染气体(NO2 , HCl, CH4)浓度以及煤矿、石油、天然气开采中的甲烷气体浓度。关键词：大气污染 光纤传感 监测1. 监测大气污染光纤传感器的分类监测大气污染光纤传感器, 按光纤在其中所起的作用可以分为传光型和传感型两类。所谓传光型是指:光纤在其中仅仅作为传光的媒介, 光纤是不连续的, 其间有中断, 中断部分要加上其他敏感元件才能构成传感器。所谓传感型是指:在这类传感器中, 光纤不仅起传光作用, 而且还利用光纤在外界因素, 如温度, 压力,电场, 磁场等作用下, 使其传光特性发生变化以实现传感测量, 光纤具有传感合一的功能。其中, 传光型又包括吸收光谱型、反射光型和荧光光谱型。

3、传感型主要是利用弹光效应进行检测。这里, 我们以吸收光谱型光纤气体传感器为例来说明其应用原理。2吸收光谱型光纤气体传感器2.1系统工作原理 这种传感器属于传光型。基于气体的吸收光谱随物质的成分而变的原理、不同气体分子对应不同的吸收谱线, 测量某一特定吸收谱线强度, 就可以检测气体中的某种成分。表1列出了一些气体分子的吸收带中心波长。 当光通过介质时, 由比尔定律可知 2 , 光的吸收系数与物质的浓度、通过吸收介质长度与透射光强满足以下关系I=I0 exp -(cl+l+l+) , 美国国家空气污染控制管理局( N A P CA ) 芝加哥监测站测得的1创饱年各种污染物的平均浓度式中, I, I

4、0 分别是透射和入射光强;是一定波长下的单位浓度、单位长度介质的吸收系数;是瑞利散射系数;是米氏散射系数;是气体密度波动造成的吸收系数;l是待测气体与光相互作用的长度;c是待测气体浓度。仅从(1)式来确定待测气体的浓度是很困难的。如果用两个波长(1 , 2 )相隔很近(但在吸收系数上有很大差别)的单色光同时或相差很短时间内通过待测气体, 则待测气体的浓度可以简化为 在两波长已知下, 若气体的吸收系数可以测量, 就可以根据输入输出光强的变化量求出气体的浓度。2.2 喇曼散射方法 使用大功率激光照射污染区域, 其后向散射光的频率将产生变化, 频移的数值由污染分子本身的振动频率决定。各种污染物质都有

5、其特征的、相对于激励光的喇曼频移, 图2 是几种污染分子的喇曼频移咖。测量散射光的频移数值, 就可以识别出污染气体的成分。通过将后向散射的强度和N : 或O: 的喇曼散射强度进行比较, 可以确定各个污染物的绝对浓度( 因为, 在大气中N , 或O: 的浓度是一定的)。除了能测量绝对浓度以外, 喇曼散射检测污染的优点还有: 利用单一波长的激光器可以测量出不同污染气体的存在, 激光波长可以选择在大气透明光谱区。激光发射机和接收系统可以放在一起,便于制成紧凑的, 可移动的装置。这种方法可以遥测大气污染, 测量的深度分辨率很高。其缺点是喇曼散射截面小, 只有10-31-10-20匣米2 ·球

6、面度一1 , 限制了测量距离, 这就要求采用大功率激光器, 又增加了对人眼危害的危险性。2.3激光诱导荧光法 激光诱导荧光法是用特定波长的激光束,激发NO2 (或NO) 分子到较高能级,处于高能级的NO2(或NO3 ) 跃迁回基态时会以光子发射的形式释放能量,其光子发射时间延迟很短( < 10-5 s) ,称为荧光,荧光强度与其浓度成正比。光电转换器吸收荧光产生光电流,光电流的大小与NO2 1852 年Stokes 指出,用波长较短的光可以激发出波长较长的光,也就是能量大的光子可以激发能低的光子,此为激光诱导荧光法的理论依据。实际上,该方法也适用于检测大气中的其他污染物, 如SO2 等。

7、激光诱导荧光法属于光学法,响应速度快,灵敏度很高,可实现很低的检测极限。然而由于系统过于复杂和精密,造价很高,大多用于科学研究,目前还没有大规模商品化。2.4 光纤传感技术 光纤传感(或NO) 的浓度成线性,可由光电强度判定其浓度。器的一般工作原理是:由光源发出的光,经光纤传感到检测点,外界被测参量将对光信号进行调制(如通过吸收、散射、反射、荧光、光声或其他光学效应) ,再经光纤传至光电探测器进行检测。NO2 特征吸收谱线在石英光纤的低损耗传输光波长范围内,基于朗比定律或其他光学原理可以测定其浓度。 光纤气体吸收传感系统见图1 。选择波长与NO2 气体分子吸收谱线相匹配的光源,就可以检测其浓度

8、。如采用其他光源,调整单色仪可检测其他气体分子的浓度,因而具有比较广泛的适用性。 光纤传感技术用于监测NO2 浓度的系统已见报道。有人利用氩离子激光器和光纤系统,根据NO2 气体在光波长496. 5 nm 处的吸收探测其浓度;还有人采用上述激光器和光纤马赫曾德尔干涉装置, 用激光光声法在露天条件下检测NO2浓度3 。光纤传感技术已在环境科学领域崭露头角。光纤传感器显著的优点是体积小,易挠曲,可对有毒有害、易燃易爆环境进行多点实时遥控,具有较高的选择性、准确性和灵敏度。但光纤传感器还存在一些有待解决的问题,如测量范围不够宽(受光纤传输特性的影响) ,时间稳定性差等。由于光纤传输光波长范围的限制,

9、使不少物质的强吸收特征谱线不能用光纤传感器检测,然而可以预料,性能优良的新型光纤传感器将会不断出现。2.5 激光雷达探测法 激光雷达探测法的基本原理是差分吸收测量,即利用待测气体分子的吸收特性测量其浓度(见图2) 。差分吸收测量激光雷达向大气中的同一光路发射波长接近的两束脉冲激光,其中一个波长正处于待测气体的吸收线上,它被待测气体较强地吸收;另一波长处于待测气体吸收线的边翼或吸收线外,待测气体对它的吸收很小或没有吸收。由于这两束激光波长相近,其他气体分子和气溶胶对于这两个波长的消光在一般情况下基本相同,以至于可以忽略。两束激光回波强度的差异仅由待测气体分子的吸收所引起,从而根据两个波长回波强度

10、的差分,可以确定待测气体分子的浓度。差分吸收测量方法利用的是待测气体的吸收和大气(包括大气气体分子和气溶胶) 的弹性后向散射原理。一般在所选择的波长处,气体的吸收截面较大,并且大气气体的弹性后向散射截面和雷达回波的强度很大,易于接收测量。这两个因素结合在一起,形成了差分吸收测量方法的高灵敏度,再加上激光雷达距离分辨率高、能大范围实时测量的特点,使差分吸收激光雷达成为测量气体分子浓度空间分布的一种有力工具4 。 目前先进的测污激光雷达一般能测量污染物的二维和三维空间分布。根据不同时间、不同位置剖面图的浓度等值线分布情况,可以确定污染物的流向和流速,由此可以确定污染物如何在一个地区传播。激光雷达技

11、术比传统的测量技术更简便易行,在某些情况下还可以提供其他地面测量技术无法得到或耗费巨资才能得到的数据。激光雷达大气污染测量系统越来越多地应用于大气环境污染的监测和研究,已成为大范围快速监测大气环境的新一代高技术手段,在近地面大气污染监测中发挥了常规监测手段不可替代的作用。2.6 化学发光法 在某些化学反应中生成了激发态产物,激发态产物以光子形式释放能量,这就是化学发光现象。通过测量化学发光强度对物质进行分析测定的方法称为化学发光分析法。 化学发光法检测大气中NOx 的原理是NO 与O3 反应生成激发态的NO2,当NO2跃迁回基态时放出光子,光强与NO 浓度成正比,光电转换器吸收光子产生光电流,

12、光电流强度与NO 浓度成线性,可通过光电强度判定NO 浓度。为得到NOx的总浓度,该方法要求将待测气样中的NO2 预先转化为NO5 ,6 。 NOx 可与多种物质进行化学发光反应,之所以用O3 是因为容易制备。在反应室中通入待测NO 气样和一定浓度的O3 ,反应时的温度控制在一定范围内,O3 浓度应远高于NO ,使NO 完全反应。在一定工作条件下,NO 和O3 反应的发光强度与其浓度成正比,比例系数与以下因素有关: 反应率,指在反应室内与O3 发生反应的NO 分子数与流经反应室的NO 分子总数之比; 激发率,指在反应中能够生成激发态NO2的NO 分子数与反应的NO 分子总数之比; 发射率,指反

13、应生成的处于激发态的NO2中能够发射光子的分子数与NO2总分子数之比。简而言之,反应室中的NO浓度与化学发光强度成正比。通过对系统数据的分析,可以得到分精确的NO 浓度与发光强度的函数关系式,测量发光强度就可以得到NO 浓度。反应产生的光可由光电探测器件检测。由于反应生成的光十分弱,光电探测器件需使用光电倍增管(Photo Multiple Tube ,简称PMT) 。光电倍增管输出的电信号经计数板处理后,以数据形式存入电脑,经电脑软件处理就可得到NO 浓度。为检测NOx 中NO2 的浓度,必须将气样中的NO2 转化为NO。一般采用金属还原法,即用特定 活泼的金属在高温下与NO2 反应,夺取其

14、中的一个O 原子,使其还原为NO ,通常用钼(Mo) 作还原剂。NO2 转化为NO 后,即可用上述方法检测其浓度。如此,NOx 中2 种主要成分NO2 和NO 就可在同一系统中检测7 。化学发光法检测NOx 的理论和技术是20 世纪60 年代研究的热点,当时已有了较成熟的产品。历经几十年的发展,目前化学发光法NOx 分析仪已经十分完善,其检测限和灵敏度完全能满足大气环境监测的需要,并具有结构简单、造价较低等优点,还可实现自动监测与在线监测。2监测系统 如图1所示。系统主要由发光部分、传感部分和信号处理部分组成。此光源实际上是一台氩离子激光器, 它的输出包含两种单色光波, 1 =488.0nm,

15、 2 =514.5nm。这两种波长一部分光通过耦合器耦合到光纤中, 另一部分进入校准盒, 然后进入到监测器, 这样就可以得到输入光强I01和I02 。沿光纤传输的一部分光到达待测地点的传感头中。在传感头中两波长的光与待测气体相互作用, 气体对两波长的光有不同的吸收, 经过吸收后的光经光纤送到处理中心, 由此输出待测气体浓度信号。这种监测系统的精度及灵敏度很高, 且采用光纤作为传光通道, 因此它不受电磁干扰影响, 能在各种特殊环境下经济、实时和安全地实现遥测。对于吸收光谱型光纤气体传感器, 需要有宽带连续光谱的光源, 考虑待测气体吸收谱线和光纤对该谱线的传输损耗, 以及光探测器的光谱响应特性,

16、根据这些关系, 只要适当地选择光源的波长和光纤、光探测器等, 就可以构成测量不同气体的光纤传感器。图2 给出了某些气体的吸收谱线与常用探测器的光谱响应、发光器件的光谱及石英光纤的损耗谱之间的对应关系。图3给出了应用差分吸收法对空气中的NO2 浓度的监测结果。 3应用现状及发展前景 目前, 吸收光谱型传感系统应用于监测甲烷气体, 其灵敏度可达甲烷气体爆炸的下限 。因此它可用于煤矿井下的瓦斯报警系统, 还可用于石油、化工以及各种情况下对有害气体的远距离监测。此外, 还可利用反射光型、荧光光谱型以及弹光效应进行检测的系统。而且前大多检测系统只能检测一种气体成分, 这样就限制了传感器的适用性。国外在光

17、纤气体传感器的开发方面取得了令人瞩目的成就, 而我国在这方面的研究起步较晚, 大多处于实验室研究阶段。随着光源技术、光纤技术及探测器技术的发展, 设计多光路系统设计以及相应的软件解调系统构成光纤传感网络系统, 实现在线多点检测多种气体, 将成为监测大气污染的一个有效的工具。 当今社会要求通过环境监测,能够及时、全面地获取与传递地区、国家乃至全球的环境状况,检测环境污染的技术也应实现自动化。通过对上述几种检测方法的介绍与分析,可见光电技术已在大气NOx 检测中得到了广泛应用,并具有良好的发展前景,将对环境保护工作起到巨大的推动作用。参考文献: 1 HUMIOI.OpticsRemoteSesin

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