差分吸收式光纤甲烷气体传感器的研究

差分吸收式光纤甲烷气体传感器的研究

1光纤ch4传感器基于激光甲烷（ch4）是一个易学气体。它是天然气、沼气和各种液体燃料的主要成分。这是重要的工业材料和日常生活的气体。室内搅拌负荷小于5.3%，限制为15.0%。同时也被认为是温室效应最主要的气体之一,据报道CH4吸收红外线能力是CO2的15~30倍,占据整个温室贡献量的15%。空气中CH4的浓度每年大约以1%的速度增长。因此及时检测CH4气体的产生源、泄漏源及浓度,对工矿安全运行、人身安全及环境保护有着十分重要的作用。科技工作者为此做出了不懈努力,研制出了许多种CH4气体传感器。近几年光纤传感技术发展迅速,它具有灵敏度高、响应快、动态范围大、不受电磁干扰、耐腐蚀、体积小、可以实现信号的长距离传输和现场实时遥测、传感头可以放入恶劣环境中(如有毒,高温气体)等,因此光纤CH4传感器的研究倍受人们的关注。用半导体激光及1.6μm发光二极管作光源研制的光纤CH4传感器可达较高灵敏度,但成本高,结构复杂,难以实现普及。用价廉的1.3μmLED作光源研究的CH4光纤传感器灵敏度可达13×10-4。本文采用两个1.3μmLED作光源的CH4光纤传感器实现了CH4气体的差分测量,灵敏度为2×10-4。2光学特性分析光波通过介质时,部分被介质吸收和散射,余下的按原来传播的方向继续前进。由Beer定律可知,光的吸收系数、物质的浓度、通过吸收介质的长度与透射光强满足I=I0exp[-(αcL+β+γL+δ)](1)式中,I、I0分别是透射和入射光强;α是一定波长下的单位浓度、单位长度介质的吸收系数;β是瑞利散射系数;γ是米氏散射系数;δ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是待测气体的浓度。当用光纤传感系统检测气体时,(1)式还应包含比例系数K,则可改写为I=KI0exp[-(αcL+βL+γL+δ)](2)仅从(2)式来确定待测气体的浓度c是困难的。因为δ反映平均数,它随时间变化,且是随机量。如果用2个波长(λ1、λ2)相隔极近(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,则有:I(λ1)=K(λ1)I0(λ1)exp{-[α(λ1)cL+β(λ1)L+γ(λ1)L+δ(λ1)]}(3)I(λ2)=K(λ2)I0(λ2)exp{-[α(λ2)cL+β(λ2)L+γ(λ2)L+δ(λ2)]}(4)由式(3)和式(4),待测气体的浓度可以表示为c=1[α(λ1)−α(λ2)]L{lnK(λ1)I0(λ1)K(λ2)I0(λ2)−lnI(λ1)I(λ2)−[β(λ1)−β(λ2)]L−[γ(λ1)−γ(λ2)]L−[δ(λ1)−δ(λ2)]}(5)c=1[α(λ1)-α(λ2)]L{lnΚ(λ1)Ι0(λ1)Κ(λ2)Ι0(λ2)-lnΙ(λ1)Ι(λ2)-[β(λ1)-β(λ2)]L-[γ(λ1)-γ(λ2)]L-[δ(λ1)-δ(λ2)]}(5)由于λ1、λ2相差很小,并且光是几乎同时接近和通过待测气体的,可以认为β(λ1)≈β(λ2),γ(λ1)≈γ(λ2),δ(λ1)≈δ(λ2),这样(5)式就可以化简为c=1[α(λ1)−α(λ2)L]lnK(λ1)I0(λ1)I(λ2)K(λ2)I0(λ2)I(λ1)(6)c=1[α(λ1)-α(λ2)L]lnΚ(λ1)Ι0(λ1)Ι(λ2)Κ(λ2)Ι0(λ2)Ι(λ1)(6)适当调节光学系统使K(λ1)I0(λ1)=K(λ2)I0(λ2)(7)(6)式又可简化为c=1[α(λ1)−α(λ2)]LlnI(λ2)I(λ1)(8)c=1[α(λ1)-α(λ2)]LlnΙ(λ2)Ι(λ1)(8)由光学上的相近条件,有:c[α(λ1)-α(λ2)]L≪1实际应用中,波长λ1的光对应检测气体的吸收谱线,波长λ2的光不被检测气体吸收(即参考波长),在测试过程中为空值,因此有I(λ1)<I(λ2),I(λ2)/I(λ1)>1和I(λ1)/I(λ2)<1。对ln[I(λ2)/I(λ1)]进行泰勒展开:lnI(λ2)I(λ1)=−ln[1+(I(λ1)I(λ2)−1)]≈I(λ2)−I(λ1)I(λ2)(9)lnΙ(λ2)Ι(λ1)=-ln[1+(Ι(λ1)Ι(λ2)-1)]≈Ι(λ2)-Ι(λ1)Ι(λ2)(9)所以气体浓度为c=1α(λ1)−α(λ2)I(λ2)−I(λ1)I(λ2)(10)c=1α(λ1)-α(λ2)Ι(λ2)-Ι(λ1)Ι(λ2)(10)在波长λ1、λ2下,若气体的吸收系数α1、α2可以测量,则气体浓度就可以从I(λ2)-I(λ1)和I(λ2)的测量中求出。这种方式称为差分吸收式。3ch4气体的吸收特性CH4气体的本征吸收谱在λ1=3.43μm,λ2=6.78μm、λ3=3.31μm和λ4=7.66μm处,然而工作在室温下的LED仅在2μm以下的波长范围内适用,商用低损耗光纤也被限制在后者的波长范围内。CH4的结合带v2+2v3和泛频带2v3皆存在,分别为1.3μm和1.6μm,如图1所示。图1表明,CH4气体在1.6μm处的吸收强度远大于在1.3μm处的吸收强度。由CH4气体在1.3μm处的精细结构谱图可知,在1.331μm处的Q支带吸收线是相当强的,如图2所示。因此,我们可以选1.331μm的LED作为激发光源,检测CH4气体的浓度。4多线束光片检测差分吸收方法检测气体浓度的框图如图3所示。图中,F1和F2分别为干涉滤光片,A为可变消光片,用于实现k(λ1)I0(λ1)=K(λ2)I0(λ2)。LED发出的光经耦合器与传输光纤耦合进入探测气室,经过气室由耦合器通过光纤到达分束器,将光分成两束,两束光交替地被100Hz的斩波器斩光,分别通过中心频率为λ1、λ2的干涉滤光片。两束光汇集照射在光电二极管(PIN)上,使之转换为电信号。通过调制同步检测电路及单片机控制、数据采集、处理、存储与计算机通讯,显示测量数据。开始检测时,使气室中被测气体的浓度为零(或气室被抽成真空),调整光路中的可调消光器A使两束光强相等,从而使式(7)成立。锁定放大器的输出直接给出合适的I(λ2)-I(λ1)信号。根据国产LED参数,只能选取1.33μm,由于CH4气体在1.33μm处的吸收较弱,所以直接用图3介绍的差分吸收传感系统检测CH4气体的浓度,灵敏度显然不高,而是用同型号的2个LED作为激发光源,一个作为主光源LED,光波长为λ1,另一个作为参考光源LED,光波长为λ2,它们用同一驱动器驱动,自动实现了λ1、λ2的自动交替斩波,使通过气室的检测光强增强,同时也避免了复杂的光路系统而成为全光纤结构。选取λ1=1.33μm,λ2=1.27μm。λ2的选取避免了大气中其他分子(C2H2,NH3,N2O等)的吸收,其系统框图如图4所示。5差分吸收系数测试当气室中CH4的浓度为零时,响应I(λ2)-I(λ1)=0,但当CH4的浓度分别为0.5%和5.0%时,锁相放大器的输出信号与气室中甲烷气体的浓度成比例。差分信号I(λ2)-I(λ1)可由锁相放大器检测到,锁相放大器的时间常数为1s,测试结果如图5所示。在实验中,2个光源的驱动电路,我们选用多谐振荡器555,输出频率f=1kHz的脉冲方波,脉冲方波通过J-K触发器输出两个周期相同,相位差180°的脉冲方波来驱动LED1和LED2。干涉滤光片F1的中心波长为1.33μm,半宽度为3nm;F2的中心波长为1.27μm,半宽度为5nm;气室长度L=50cm;光纤长度为100m。测得差分吸收系数Δσ=σ(λ1)-σ(λ2)为222.9kPa-1m-1。改变气室中CH4气体浓度可以得到不同浓度下差分光强度I(λ1)-I(λ2),最小可检测浓度为0.02%,相当于2×10-4的高灵敏度检测,比单光源LED直接吸收式光纤CH4传感器13×10-4的检测灵敏度提高了6倍。6气体浓度检测用双光源LED实现差分吸收光纤CH4传感系统,灵敏度和稳定性明显提高,可以检测CH4气体的浓度限要比在空气中的爆炸限低很多,可以广泛用于石油、化工、天然气站、管道、煤矿和环境污染等许多领域。由于采用全光纤结构,避免了复杂光学系统,整个系统的稳定性进一步提高。用1.33μm的LE