红外吸收式光纤甲烷气体传感测试方法

红外吸收式光纤甲烷气体传感测试方法

甲醇是易分解气体，是煤矿砖瓦和民用天然气的主要成分。天然气汽车的气候成分之一是重要的工业材料和稻田的副产品。在大气中爆炸范围为5.3%～15.0%,煤矿中超过1%将停止生产,超过1.5%将停止一切设备运转;另外,还是引起温室效应的主要成分之一。甲烷浓度超标将导致相关工业生产的安全事故,影响人类的正常生活。及时、准确、可靠、高效地检测甲烷气体的产生源、泄漏源及浓度,对于工矿安全运行、人身安全和环境保护等都是必要的。研究简单可靠的甲烷气体检测系统是实际而重要的课题。传统的接触燃烧式和半导体吸收式甲烷传感器易受其他气体的干扰;干涉法则会受到气体湿度和压强的影响;电化学法的寿命最短,只有1～2年;红外光谱法是检测气体最精确的方法,不同分子的固有震动频率不同,反映在光谱吸收上就是对应不同的特征吸收波长,如同人的指纹系统一样,具有唯一性。采用光纤传输,将敏感元件与光源和光电器件实现完全隔离,避免了电磁干扰,也避免了检测系统自身火花放电而导致的危险并可以使操作人员远离有毒、危险环境。光纤甲烷传感器具有抗污染、防电磁干扰、可高速在线检测、可远距离检测、小型轻便、耐腐蚀等。1光催化反应和光栅传感技术甲烷分子有4个固有的振动,每个振动对应着一个光谱吸收区,相应的波长分别是3.312μm、3.433μm、6.522μm和7.658μm。甲烷在3～4μm波段有强烈的吸收峰,虽然铅盐激光器可产生这一波段的光,但光源和探测器都需低温制冷,价格贵,且这一波段是石英光纤的高损耗区。该波段虽然在非分光红外(NDIR)技术中广泛应用,但并不适合光纤传感系统。然而甲烷结合吸收带和泛频吸收带分别位于1.3μm和1.6μm附近(见图1),正处于石英光纤的低衰减区(1.0～1.7μm),光源和光电探测器技术也已成熟,是目前光纤传感器最好的选择。相对于1.65μm,1.3μm处于光纤通信的波段被研究的更多,光源技术也相对成熟普及,是目前光纤传感器理想的波长,设计中选择波长1.33μm的DFBLD光源。根据Beer-Lambert定律,有I=I0exp(αLc)(1)c=ln(I/I0)αL(2)c=ln(Ι/Ι0)αL(2)式中I为通过介质吸收后的透射光强;I0为入射光强;α为吸收系数;L为光通过介质的光程;c为介质的浓度。由式(1)可见,如果窄带光源的中心波长与气体的吸收峰值对准,确保在实验中的吸收效果最明显,浓度一定时,吸收光程L越大,吸收效果越明显,传感系统的灵敏度越高。当L一定,则通过测量光通过介质时的损耗可检测c,如式(2)所示。2测试气室的光纤耦合光纤甲烷测试系统框图如图2所示,实验室中的环境相对稳定,DEBLD在温度和工作电流稳定时,输出功率稳定,因此在原理实验中,采用单光路系统。采用稳压电路为DFBLD提供电源,实验中采用带尾纤输出的DFBLD,图2中的耦合器是通过一对透镜准直聚焦将DFBLD的光耦合进光纤。光纤出射的光相当一个点光源,再次经准直器准直成平行光入射测试气室,通过被测气体吸收后,由自聚焦透镜将携带温度信息的平行光耦合进光纤,经光电转换及电信号放大采集处理并标定,通过显示装置就能读出气体的浓度。系统最大特点是测量气体浓度的光学敏感部分被光纤与电气部分完全电磁隔离,并可实现远距离遥测。系统中的光纤只是传输单一频率的光功率,不存在模式匹配问题,为提高耦合效率选用62.5/125多模石英光纤。在该系统中,测试气室作为敏感元件,其耦合效率将会对测试灵敏度有直接影响。实验中采用如图3所示的结构。在入射端采用球面透镜进行准直,在出射端采用带尾纤输出的自聚焦透镜聚焦,这样只需调整入射光线与气室的对准位置,试验中采用一对五维精密调整架实现精密对准,耦合效率约为30%。如果采用球面透镜聚焦,将需要3个精密调整架,且调整工作冗繁;出射端采用直接耦合,效率仅约为1%。原理分析中曾表明,L对吸收灵敏度有较大的影响,这种直接透射式的气室长度即为L,气室越长灵敏度会越高。日本学者Kazutoshi分别对长为22cm和66cm的气室进行了实验,结果66cm的气室吸收效果明显比22cm强。但气室太长会导致实验装置结构庞大,本实验中的气室长度为18cm。3实验结果和讨论由于式(1)中α≪1,所以,这种直接吸收作用会很微弱,为了避免多个环节引起的噪声干扰导致实验结果失真以及提高灵敏度,直接用SGT-4C04光功率计取代图2中的光电二极管(PIN)及之后的部分。光功率计精度是1nW。实验中的甲烷真实体积分数通过GQJ-2B光干涉式甲烷测试仪测得,精度为0.1%。经预热1h,未通入甲烷气体时读数达到稳定,如表1所示的连续1h稳定情况。可见在1h的测试过程中,系统相当稳定,不会影响所测数据的真实性。通入不同浓度的甲烷气体,直接测得的输出光功率与浓度关系如图4所示,转化为透过率如图5所示,图中的透过率为I/I0。可见,在实验条件下,正如理论分析可知,甲烷的吸收效果较弱。对透过率与甲烷体积分数的关系进行线性度分析,相关系数为-0.99783,标准差2.06532×10-4。这说明红外光透过率随甲烷体积分数的上升几乎成直线下降,且在测试过程中,各测试点与均值的偏差很小。4光功率检测计数理论和实验结果表明,红外光谱吸收式气体检测技术可用于对甲烷气体浓度的检测。实验中,采用单光路传输,精度为1nW的光功率计作为光探测器,在小于体积分数15%范