基于近红外光谱的吸收式甲烷气体检测方法研究

基于近红外光谱的吸收式甲烷气体检测方法研究

甲烷（ch4）是一个容易气体，是矿山中的主要组成部分。这场冲突是矿山生产过程中最常见、破坏最严重的自然灾害。因此,必须研制瓦斯监测系统,及时检测甲烷气体的产生源、泄露源及浓度,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。近几年来光纤传感技术发展迅速,光纤甲烷传感器的研究倍受人们的关注,利用激光光谱技术进行瓦斯浓度检测成为研究的热门方向,尤其是具有连续可调谐、窄线宽、低功耗、廉价的二极管激光器的出现,使利用激光光谱技术建立甲烷探测器成为可能。研制这种探测器就要从研究甲烷分子光谱出发,发展高灵敏、高分辨率的激光光谱技术。1气体浓度检测基本原理光谱学研究表明当光与物质相互作用时,物质受到红外光束的照射,该物质的分子就要吸收一部分光能量并将其转化为分子的振动与转动能量。在吸收过程中,气体分子只能吸收那些能量正好等于它的某两个能级的能量之差的光子(△E=hv),所以不同分子结构的气体会吸收不同频率(能量)的光子。光源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的部分才产生共振吸收,其吸收强度与该气体的浓度有关,吸收后的光强将发生变化,通过测量光的强度就可测量气体的浓度。当一束频率为v、光强为I0输入平行光通过充有气体的气室时,气体分子吸收光能量,吸收关系遵循朗伯—比尔(Lambert-Beer)定律。如果气体吸收谱线在入射光源光谱范围内,那么光通过气体以后,在相应谱线处会发生光强的衰减,输出光强I(v)与输入光强I0(v)和气体浓度之间的关系为I(v)=I0(v)exp[-а(v)LC](1)式中а(v)——一定频率下单位浓度、单位长度气体的吸收系数;L——吸收路径的长度;C——吸收气体浓度。由式(1)可得C=1α(v)LlnI0(v)I(v)(2)C=1α(v)LlnΙ0(v)Ι(v)(2)式(2)表明,如果L与α(v)已知,通过检测I(v)和I0(v)就可以测得气体的浓度,这就是光谱吸收方法检测气体浓度的基本原理。图1为检测原理框图。光源发出的光经光接头藕合到入射光纤中,送至气室后,经出射光纤被光探测器接收并转换为电信号,该电信号被放大器放大后由记录仪记录。2气体浓度检测方案谐波检测的基本原理是通过频率调制某个依赖于频率的信号,使其“扫描”待测的特征信号,然后在信号处理系统中,以调制频率或调制频率的倍频作为参考信号,用锁定放大器记录下要得到的特征信息,这一特征信息是由调制信号产生的一系列谐波信息。谐波检测方法的理论基础是傅立叶变换理论,要求待测对象的特征满足一定的数学模型条件。现有的数学模型(Lorentzian,Gaussian及Voigt模型)可以用来分析气体的红外吸收现象。当己知某一气体的吸收系数时,就可以应用这一技术分析该气体的浓度,这正是我们确定检测方案的理论依据。气体对光能的吸收率(对应光透过率)是光波频率的函数,因此,通过调制光源的频率即可实现吸收系数的调制。如果光源谱分布带宽远远小于气体吸收线带宽,通过对光源的注入电流进行正弦调制,光源频率和输出光强也将受到相应的调制。式中,v0表示光源未经调制时的中心频率,vm表示频率调制幅度,m表示光强调制系数,ω=2πf,f是电流调制频率。将式(3)、(4)代入式(1),且在近红外波段,气体的吸收系数很小,满足α(v)LC1;光强的调制幅度也很小,即m1;则气体压力接近一个标准大气压时,红外光谱的碰撞加宽起主要作用。因此CH4分子的吸收谱线型α(v)可以用Lorentzian函数描述式中α0为纯气体在吸收线中心的吸收系数,vg和v分别为对应吸收峰的中心频率和吸收线半宽,将式(6)代入式(5),可得当光源的输出中心波长被精确锁定在气体吸收峰上时,v0=vg,则将式(8)展开为傅立叶级数序列,它的一次谐波(f)和二次谐波(2f)的系数分别为k为x的函数,x可以被调节到二次谐波的最大值,当二次谐波取得最大值时,dk/dx=0,则:这种条件下,k=3.43。可见,一次谐波分量主要由强度调制引起,幅度正比于光源的平均功率,与气体浓度没有关系。二次谐波信号与气体的浓度和初始光强有关,检测二次谐波信号可以获得气体浓度信息。由式(9)、式(10)得:式(13)中不含有I0项,因此,用二次谐波和一次谐波的比值作为系统输出,可以消除光源波动等因素带来的干扰。3次谐波测量检测过程中需要将光源波长精确稳定在气体吸收峰上,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:经过正弦调频的光通过一个装有固定浓度甲烷气体的参考气室,若光源中心(平均)波长和吸收峰的中心波长对准,则通过参考气室的输出光主要包括调制频率的二次谐波,一次谐波近似为零;若一有偏差,就会产生一次谐波,利用一次谐波作为误差信号,可将光源波长精确的锁定在气体吸收峰上。为了产生谐波信号,最方便的频率调制方法是调制激光器的注入电流,由于可调谐激光器的输出频率是注入电流的函数,所以,注入电流经正弦调制之后,激光器的输出频率和输出光强也将受到相应的调制,这意味着即使光源平均波长和吸收峰的中心波长对准,一次谐波也将不为零。解决方法是在检测到的一次谐波中引入一个与光强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的平均波长。图2为应用激光器进行气体测量的结构图。经检测气室吸收后的光经光电探测器转换输出送入锁定放大器,分别检测调制频率的一次和二次谐波分量。一次谐波分量主要由强度调制引起,其幅度大小正比与光源的平均功率。采用二次谐波和一次谐波的比值作为系统输出,可以消除激光器输出光强波动等共模噪声。4光谱吸收式甲烷气体浓度检测理论与方法通过对气