光纤气体传感器

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1、光纤气体传感器 光谱吸收式光纤甲烷检测系统 近年全国重大矿难事故一览 瓦斯爆炸是影响煤矿安全重大威胁之一 据统计 我国煤矿爆炸事故近80 是由瓦斯气体爆炸引起的 瓦斯的主要成分是甲烷 约占瓦斯气体的83 89 当空气中的甲烷浓度约为5 3 到15 时 遇火源就会爆炸 在无火源情况下 当空气中的甲烷浓度达到50 能使人因缺氧而窒息死亡 为了预防与控制事故的发生 最大限度地减少人员伤亡 研究能在线实时快速检测甲烷气体浓度的仪器是十分必要的 甲烷也被认为是温室效应最主要的气体之一 甲烷吸收红外线能力是二氧化碳的15 30倍 占据整个温室气体贡献量的15 温室气体引起的全球气候变暖直接关系到人类健康生

2、活 更是被民众所关心 甲烷还与燃烧和推进联系非常紧密 它的浓度测量直接与对燃烧效率以及推进过程的分析有关 马赫一泽德尔干涉仪声波激励源是机械斩波的Ar 离子激光器 各种光纤气体传感器及其性能比较 光谱吸收型光纤传感器 光谱吸收法是通过检测气体透射光强或反射光强的变化来检测气体浓度的方法 每种气体分子都有自己的吸收 或辐射 谱特征 光源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的部分才产生吸收 吸收后的光强将发生变化 光谱吸收型光纤传感器 光谱吸收型光纤传感器是基于激光光谱分析技术设计的 结合现代光纤通信技术 将以前主要用于实验室气体分析的激光光谱分析技术应用在工业现场 同时利用光纤技术的特点 使光谱吸收型

3、光纤传感器在探测灵敏度 远程遥测 多点测量方面发挥更大的优势 近红外光谱吸收型光纤传感器 近红外光是指波长在780 2526nm范围内的电磁波 甲烷气体分子的泛频和组合频吸收峰正好落在光纤0 8 1 7 m的近红外区域低损耗传输窗口范围内 且在这一波段的光学器件比较成熟 使得近红外光谱在在线分析领域得到了广泛的应用 近红外光谱吸收型光纤传感器 近红外光谱吸收型光纤气体传感器与其他光纤气体传感器相比具有极高的测量灵敏度 极高的气体鉴别能力 快速的响应能力 简单可靠的气体传感探头 气室以及易于形成网络等优点 是目前研究最广泛 最有前途的一种光纤气体传感技术 光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状 最

4、早应用光谱吸收式光纤传感技术进行气体浓度测试研究的是日本Tohoku大学的H Inaba和K Chan等 他们在光纤透射窗口波段范围内 做了一些气体传感的基本研究 1979年 他们提出利用长距离光纤进行大气污染检测 1981年 他们又报道了光纤二氧化氮气体浓度的检测实验 利用二氧化氮在400nm处和800nm处的较宽吸收峰 用LED作光源进行二氧化氮的直接吸收测量 与此同时 还进行了光纤化的甲烷气体浓度测量实验研究 并于1983年用LED作为宽带光源 配合窄带干涉滤光片 对甲烷在1331 2nm附近的Q线进行检测 系统最小可探测灵敏度为25 LEL 气体爆炸下限 光谱吸收式光纤气体传感器国外研

5、究现状 1987年J P Dakin和C A wade等人报道了一种利用梳状滤波器和宽带光源 LED 测量甲烷气体浓度的方法 入射光可覆盖一簇气体吸收峰 通过气体吸收后 光谱被调制为梳状 这种方法适合于甲烷和乙炔等具有梳状吸收峰的气体 1988年 A Mohebati和T A King用1 33 m的InGaAsP多模激光器测量了甲烷气体的浓度 采用波长差分吸收法 室温下可以测量最小灵敏度可达1000ppm 光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状 1990年 H Tai和K Yamamoto等利用1 66 m单模分布反馈式 DFBLD 半导体激光器 采用了波长 频率 调制的谐波检测方法 室温下检

6、测甲烷气体浓度 最小可探测灵敏度可达20ppm 这一系统将可调谐半导体激光光源 DFBLD 波长调制谐波检测和光纤技术结合起来 获得了很高的探测灵敏度 在以后的很长一段时间内 沿着这种技术方向 又有一些光纤气体探测系统被报道出来 光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状 1992年 H Tai给出了采用两个DFBLD光源组成一个复合光源 在同一个光纤传感系统中同时测量甲烷和乙炔的实验系统 这个系统中的传输光纤长4km 气室长10cm 检测系统采用波长调制的谐波检测技术 甲烷的最小可探测灵敏度为5ppm 乙炔的最小可探测灵敏度为3ppm 气体间的串扰很小 可以忽略 是一种传感器的复用方法 V Wel

7、don在1993年和1994年分别报道了采用一个1 64 m可调谐DFB激光器同时测量甲烷和二氧化碳及一个1 57 m可调谐DFB激光器同时测量硫化氢和二氧化碳气体的实验研究 其最小探测灵敏度都优于10ppm 光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状 为了光纤气体传感技术的工程应用 人们更加关注气体传感的噪声分析 通过对谐波检测技术的分析 有人提出了优化谐波检测技术参数的方法 靳伟博士和G Stewart对气体传感中相干噪声的来源及消除方法进行了深入的研究 其中G Stewart建立了光纤气体传感头端反射噪声的模型 而靳伟博士则提出了光纤气体传感系统中反射相干信号的更普遍模型 并且对单点气体传感器

8、做了比较全面的噪声误差分析 给出了理论极限 光谱吸收式光纤气体传感器国内研究现状 1989年 西安光机所郭栓运等在应用光学杂志上介绍了差分光谱光纤气体传感器的基本原理 列举了一些具体应用实例 上海交通大学应用物理系的一个研究小组于1990年用国产元件建立了一个检测大气中甲烷气体浓度的实验装置 该装置的测量灵敏度约为7000ppm 是甲烷气体在大气中最低爆炸极限的13 光谱吸收式光纤气体传感器国内研究现状 1997年 山东矿业学院的曹茂永等对光谱吸收式光纤瓦斯传感器的参数设计进行了探讨 提出根据传感器的技术指标确定其基本参数的方法 2000年 浙江大学叶险峰博士用中心波长为1 3 m的LED作光

9、源 配合闪耀光栅对CH4气体进行了检测实验 检测灵敏度为1300ppm 光谱吸收式光纤气体传感器国内研究现状 2001年燕山大学王玉田教授及郭增军博士提出光纤传感技术和计算机数据处理技术相结合 研制一种基于差分吸收技术的光纤甲烷气体检测仪 2004年 王玉田教授和他的研究小组利用复用多个光谱吸收型光纤传感器 并通过谐波检测技术对微弱信号进行处理 设计一套甲烷气体多点光纤传感系统 该传感器系统可探测气体浓度范围为200ppm 100 可在多场合进行多点在线测量 测量精确度和稳定性均大大提高 但是测量点数目依然不高 光谱吸收式光纤气体传感器国内研究现状 哈尔滨工程大学 哈尔滨工业大学 武汉理工大学

10、 安徽光学精密机械研究所 华南理工大学 中国科学院电子学研究所 东南大学 山西大学 北京交通大学 太原理工大学等也均开展了相关研究 核心思想 Lambert Beer定律 光谱吸收式气体传感器理论基础 为光频为v处的吸收系数 表示体积浓度为100 吸收光程长度为1cm时吸收气体对频率为的v单色光的吸收能力 C为吸收气体体积浓度百分比 L为总的气体吸收光程 单位cm 核心思想 Lambert Beer定律 光谱吸收式气体传感器理论基础 当C或L很小时 有 则Lambert Beer定律近似为 为气体吸收谱线中心波数 为气体吸收谱线半宽 为气体吸收谱线中心处的吸收系数 核心思想 Lambert B

11、eer定律 光谱吸收式气体传感器理论基础 气体分子光谱吸收理论 气体分子只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 吸收的光子后的分子将从低能态激发到较高的能态上 在激发态停留很短的时间后 有通过释放出光子回到稳定态 这就是气体分子的选择吸收理论 甲烷气体吸收光谱图 光谱吸收式气体传感器理论基础 甲烷特征谱线分析与选择 甲烷气体的组合频和泛频吸收波长分别为1 33 m和1 66 m 甲烷特征谱线分析与选择 甲烷气体的组合频和泛频吸收波长分别为1 33 m和1 66 m 根据HITRAN数据库资料显示 甲烷气体在1 66 m处的吸收强度比在1 33 m处更大 这样有利于微弱信号的检测

12、1 66 m处于近红外区石英光纤低损耗 低色散区 这一波段与通信上所用的1 55 m波段接近 因此光器件更容易获得 水蒸气 二氧化碳等在1 66 m处无明显吸收 甲烷在波长附近有三条相距非常近的吸收线 三条吸收线分布在小于0 01nm波长范围之内 可以合成为一条在1653 72nm处 半宽为0 018nm的吸收线 并以此作为检测的吸收线 CH4在1653 72nm处吸收谱线精细结构及吸收系数合成图 甲烷特征谱线分析与选择 检测方法 差分吸收技术调制技术 目的 抑制噪声 提高灵敏度 单波长差分 调制技术 一路通过含有被测气体的检测气室 一路通过不含被测气体的参考气室即真空 其衰减代表了光路中与被

13、测物质无关的损耗 双波长差分 单波长差分 调制技术 双波长差分 i1 i2分别为两探测器的输出光电流 d1 d2为分光器的分光系数Kf1 Kf2为探测器的光电转换系数 Kc1 Kc2为两光路的损耗系数 单波长差分 调制技术 双波长差分 设 则 单波长差分 调制技术 单波长差分吸收技术适用于窄带光源 比如激光器 其谱线宽度较小 能量比较集中 如果激光器的中心波长和气体吸收峰中心波长对准 则由测量通过待测气体的输出光强可以检测气体的浓度 双波长差分 单波长差分 调制技术 双波长差分 优点 可从理论上完全消除光路的干扰因素 并消除光源输出光功率不稳定的影响 缺点 对光源中心波长的漂移以及滤波特性对检

14、测结果的影响是无能为力的 单波长差分 调制技术 两个滤光片的中心波长分别为和对应被检测气体的强吸收峰 称为工作波长 对应被检测气体的弱吸收波段 称为参考波长 两个波长尽可能靠近 这样光路对工作波长和参考波长的干扰效应就可认为是近似相等的 双波长差分 单波长差分 调制技术 双波长差分 是光学系统的耦合参数 为探测器的光电转换系数 为光路的干扰因素 单波长差分 调制技术 双波长差分 相除 得 可简化为 单波长差分 调制技术 双波长差分 优点 有效消除光路干扰和光源强度变化的影响 灵敏度高缺点 斩波器的使用 使得稳定性不高 滤波片的使用 使得有用光功率不足 单波长差分 调制技术 双波长差分 光强调制

15、 频率调制 光程调制 浓度调制 单波长差分 调制技术 双波长差分 光强调制是按一定规律改变入射光的强度 然后在输出端按照相应的规律解调出气体吸收信号的过程 光强调制 单波长差分 调制技术 双波长差分 为了提高信噪比 应该增大调制系数 光源的强度调制是通过调制激光器的注入电流实现的 而注入电流的大幅度变化会导致激光器输出光的波长发生变化 后者很小的变化就会使气体吸收系数发生很大的变化 因此 光源强度调制检测气体浓度是一种很粗糙的手段 光强调制 单波长差分 调制技术 双波长差分 对气体浓度的调制可以通过对气室内气体的压力进行调制来实现 利用基于声谐振荡器原理的声波调制可以达到这一目的 浓度调制在理

16、论上是一种抗干扰能力较强的检测方法 但是精确的调制声波驻场不容易实现 对气室和声波振荡装置要求都很高 另外 声源的驱动可能会使气室受到电磁干扰 影响检测的精确度 浓度调制 单波长差分 调制技术 双波长差分 因半导体激光器输出波长与注入的驱动电流有关 可通过调制注入电流实现对光源波长的调制 从而形成一种波长调制光谱技术 WMS WavelengthModulationSpectroscopy 优点 可以抑制检测系统中的各种背景噪声 提高系统的检测灵敏度 实现低浓度 可达ppm量级 气体的检测 波长调制 单波长差分 调制技术 双波长差分 波长调制 加入正弦信号调制后的电流 激光器输出的频率 甲烷吸收线线型函数为 单波长差分 调制技术 双波长差分 波长调制 当 有 展开成傅里叶偶函数有 单波长差分 调制技术 双波长差分 波长调制 当 有 展开成傅里叶偶函数有 单波长差分 调制技术 双波长差分 波长调制 经过前置放大电路及锁相放大器谐波提取 可得一 二次谐波信号包络为 单波长差分 调制技术 双波长差分 波长调制 一次谐波信号幅度 单波长差分 调制技术 双波长差分 波长调制 二次谐波信号幅度 单