用于ch4气体早期安全检测的光纤气体传感器

用于ch4气体早期安全检测的光纤气体传感器

气体传感器的应用甲醇是矿山、工业和城市气体的爆炸成分。环境中的ch4气体需要初始安全检测。研制甲烷气体检测系统已成为气体检测领域的一个重要课题和研究方向。由于光纤气体传感器具有传输功率损耗小,传输信息容量大,抗电磁干扰能力强,且耐高温、高压、腐蚀、绝缘、阻燃防爆,易于实现远距离实时遥测和良好的气体选择性等优点,吸引了众多科技工作者从事这方面的研究。许多种气体在红外波段有本征吸收,在近红外和可见波段有较弱的泛频吸收线。硅光纤的低损耗窗口的波长覆盖了0.8～1.7µm范围,在这一波段发光器件和接收器件都是比较理想的光电转换器件。因此光纤气体传感器可以用于环境检测、过程控制,尤其是在恶劣环境下的在线、连续监测方面发挥着重要作用。工作于室温的半导体激光器LD和发光二极管LED发射波长与光线的三个低损耗窗口相一致,也与许多环境和工业气体的泛频和复合吸收谱线相一致。但由于吸收谱宽仅为几个纳米,一般用于气体探测的发光二极管的带宽为20～100nm,气体吸收仅占光源光强的几千分之一,比光源光强变化的噪声还要小,测量灵敏度不高。甲烷气体的倍频(2v3)和复合频(v2+2v3)分别位于1.6µm和1.3µm附近,在石英的低损耗区,光源技术也相对成熟,是目前技术条件下的最佳选择。本文采用1.3µm波段的LED做光源,利用信号处理的二次谐波测量,显著提高了测量灵敏度,改善了稳定性。1次谐波补偿根据比尔-朗伯定律,有式中I为光通过介质吸收后的透射光强;I0为入射到介质的光强;α为摩尔分子吸收系数;C是介质的浓度;L则是光通过介质的浓度。如果激光器的中心波长和气体吸收峰中心波长对准,则通过测量光经过气体时的损耗就可以检测气体的浓度。由于气体的吸收峰很窄,光源波长随环境(温度)的漂移将引起光源中心波长偏离气体吸收峰中心波长,引起吸收系数随温度变化,因而也导致测量的不稳定。实用中需要将光源波长精确地稳定在气体吸收峰中心波长上,波长的稳定可用光源频率调制和附加参考气室的方法来实现。经过波长锁定后,激光器输出为一正弦调频的光,其中心频率和气体吸收峰中心对准。由于气体的吸收特性,光经过气体后,频率调制转化为强度调制,其幅度的大小正比于吸收峰的高度,也就正比于气体的浓度。一次谐波为零,二次谐波的幅度可用于测量气体的浓度。所谓窄带光源就是在考虑光源光波的谱分布和气体分子的吸收线型时,光源谱分布带宽δλs与气体吸收线带宽δλ相比满足δλs<<δλ。光通过气体时,准单色光波场与气体分子相互作用,可将单色辐射能量密度ρ(λ-λ0)表示为δ的函数形式,即有式中λ0s为光波场的中心波长。当光源的输出光波长被一正弦波调制时,即λ0s满足式中λdc为光源静态波长;δ称为调制深度。令∆λ=λdc-λ0,即∆λ为线谱光源静态工作波长与气体吸收谱线中心波长的差,考虑到ρ(λ)的函数形式,则式(4)可写为当光源中心波长与气体吸收线中心对齐,即∆λ=0时,式(6)可写为由于气体吸收线型函数g始终为偶函数,因此对式(7)进行傅里叶展开可知,除了直流含量外,只有偶次谐波,而一次谐波含量为零,二次谐波是各次谐波中最强的谐波。检测二次谐波可以得到浓度信息。利用一次谐波作为误差信号,光源波长就能精确锁定在气体吸收峰上。对于DFB半导体激光器,最方便的频率调制方法是调制激光器的注入电流,但电流的调制也将引起激光器输出光强的调制,这意味着即使光源的中心波长和吸收峰的中心波长对准,一次谐波也将不为零。换句话说,利用一次谐波作为误差信号,光源波长并不能精确地锁定在吸收峰上,必须根据注入电流调制的解析分析,进行偏差补偿。当激光器的注入电流以mi0sinωt调制时,导致输出光功率的调制,由式(2)得式中λ0s为光源直流偏置i0时光源的输出波长。在实际测量中,一次谐波为一常值偏差,偏差大小取决于光强调制幅度的大小。解决这一问题的方法是在检测到的一次谐波中引入一个和强度调制等值反号的信号,进行偏差补偿,补偿后的信号经过积分,用于反馈控制激光器中心波长,中心波长的确定可以通过调节激光器注入电流的方法来实现。2激光传感检测系统光谱吸收式光纤甲烷传感系统的总体框图如图1所示。系统采用1300nm波段的DFBLD(分布反馈式半导体激光器)作为光源,其光谱宽度∆λ≤1nm,输出光功率≥1mW,短期稳定度(dB/15min)和长期稳定度(dB/8h)分别为±0.005和±0.03。该DFBLD采用稳频措施前后两面均发射激光,利用后向激光穿过参考气室,检测一次谐波信号,精确锁定激光器中心波长于气体吸收峰上。用低损石英光纤作远距离光源与信号传输通道,光源采用低功率脉冲调谐分布反馈式半导体LD,利用多次反射取样吸收气室保证测量灵敏度。采用低噪声、高灵敏度的InGaAsPIN光电二极管作为光电探测器,其波长响应范围为1100nm～1900nm,可以满足甲烷气体检测的要求。锁相放大器作为信号处理单元的核心器件,可以有效抑制噪声,提高信噪比,得到很高的灵敏度。用锁相放大器检测基频和倍频信号,通过基频信号对驱动电路的反馈使基频信号为零。通过测量直流和二次谐波信号,经计算机控制、数据采集、处理、存储与通讯,显示出甲烷气体的浓度。系统采用把光纤传感技术和计算机数据处理技术相结合的技术实施方案。集传感光信号和激发光功率传输与被测量传感为一体,充分发挥光纤系统、微电子电路与计算机兼容的优势,使整个测量系统达到光、机、电一体化,多参数和多功能。3次谐波锁相检测实验和稳定度测试实验中选择气室长度L为50cm,气室有进气孔、出气孔,进气孔通过针阀控制注入气室的气体流量,出气孔接有真空泵,可使气室抽真空。光纤长度100m,内径100µm,其在1.3～1.5µm波长范围内的传输损耗低于1dB/km。锁相放大器的积分时间为5s。二次谐波锁定放大器的输出和直流分量经除法器后由A/D转换送入单片机系统,经数据处理后由LCD显示检测结果。采用不同浓度的甲烷标准气体(填充气体为氮气)分别注入气室中,进行测量,实验数据见表1。在甲烷气体浓度为0.10%时,测量二次谐波锁相放大后的输出信号。以光电检测时电流-电压转换中的前置放大器为主要噪声电压源,根据锁相放大器的带宽,可以推算出经甲烷气体吸收后其信噪比S/N约为110,按锁相放大器为1时看作是检测的极限,那么该系统的检测灵敏度约为10ppm。用纯净的N2和5%的标准甲烷气体,测量系统的零点和测量范围上限后,依次注入浓度在其间的标准气体,记录通入后的实际示值,进行系统的示值比对实验,实验结果如表2所示。根据表2的比对结果,计算示值相对误差A式中Cm为系统显示值,Cs为标准气体浓度,R为量程。可知系统的示值相对误差为0.1%。调整好系统的零点和上限点,然后把1%的标准甲烷气体注入气室,将示值稳定后,记录示值。连续运行12小时,每一小时作为时间间隔注入标准气体,分别记录仪表显示值,进行系统的稳定度测试,实验结果如表3所示。以上的实验数据表明,系统的灵敏度、稳定性等性能指标都达到了气体测量的要求。4在线充放电检测理论与实验表明,本文论述的光谱吸收式光纤甲烷气体传感器可用于对甲烷气体的检测。系统采用1300nm波段DFBLD作为光源,低损耗的石英光纤作为信号传输通道,并选用高灵敏度低噪声的PIN光电二极管作为光电探测器件,锁相放大器用于对传输信号的相敏检波,可有效抑制系统噪声和各类同性干扰,系统的灵敏度可达到10ppm。采用谐波检测技术和差分吸收检测原理,使得传感器对环境光量变化、暗电流噪声、温度漂移的干扰均有一定的抑制作用。通过实验可以得到二次谐波信号最大值对应的调制幅度值,即调制幅度的最佳值。由于不同气体的吸收谱线的谱间隔不同,位置也不同,因此不会与其他气体(如C2H2,NH3,H2O等)产生交叉灵敏度问题,保证测量的唯一性。利用长距