光纖甲烷氣體傳感器

1、精品文檔你我共享光纖甲烷氣體傳感器摘要 ：基于甲烷氣體近紅外吸收的機(jī)理,研究一種易于實(shí)現(xiàn)的光纖甲烷氣體傳感器。分析了半導(dǎo)體激光器的調(diào)制特性和諧波檢測(cè)的基本原理,建立了傳感器的數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器做光源,加入?yún)⒖脊饴泛蛥⒖細(xì)馐?使光源輸出的中心波長(zhǎng)鎖定在氣體的吸收峰上 ,通過(guò)光源調(diào)制實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷氣體濃度的諧波檢測(cè), 提出實(shí)施改進(jìn)方案，同時(shí)大氣和工業(yè)污染中的其他氣體分子的含量也可通過(guò)調(diào)換光源及相應(yīng)的光學(xué)器件采用類(lèi)似的方法測(cè)量。關(guān)鍵字 ： 甲烷；近紅外吸收；諧波檢測(cè)；DFB半導(dǎo)體激光器；1. 引言甲烷是一種易燃易爆氣體, 是沼氣、天然氣和多種液體燃料的主要成分。其在大氣中的爆炸下限

2、為 4. 9 % ,上限為 15. 4 % 。在煤礦井下瓦斯氣體中, 甲烷所占的比重最大, 在80 %以上。在我國(guó)煤礦安全事故中, 瓦斯爆炸造成的傷亡占所有重大事故傷亡人數(shù)50 %以上。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)甲烷氣體的濃度、防止爆炸, 對(duì)于工礦安全運(yùn)行、人身安全有著至關(guān)重要的作用。目前，甲烷氣體的監(jiān)測(cè)主要采用的化學(xué)傳感器和電子探測(cè)器，化學(xué)敏感元件容易受到表面污染,需要定期更換 ,而且易受其他氣體的干擾,長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)存在零點(diǎn)漂移和靈敏度變化,會(huì)直接影響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性， 而電子傳感器則需要防爆裝置， 還需要定期檢驗(yàn)和校正。 光纖甲烷氣體傳感器是應(yīng)用介質(zhì)對(duì)光吸收而使光產(chǎn)生衰減這一特性的吸收型光纖氣體傳感器具有傳

3、輸功率損耗小 , 傳輸信息容量大 , 抗電磁干擾能力強(qiáng) , 且耐高溫、 高壓、腐蝕 , 絕緣、阻燃、防爆 , 易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)遙測(cè)和良好的氣體選擇性等特點(diǎn)。本文采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器 (DFB LD) , 其中心波長(zhǎng)在 1. 66 m , 并與二次諧波檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合 , 實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲烷氣體的諧波檢測(cè)。2.基本原理2.1檢測(cè)原理當(dāng)一束光強(qiáng)為I0的平行光通過(guò)充有氣體的氣室時(shí), 如果光源光譜覆蓋一個(gè)或多個(gè)氣體吸收線 , 光通過(guò)氣體時(shí)發(fā)生衰減, 根據(jù) Beer-Lambert定律 , 輸出光強(qiáng) I ( t) 與輸入光強(qiáng) I0 ( t)和氣體濃度之間的關(guān)系為:I (t )I 0 (t)exp( f

4、)CL（ 1）式中 : ( f ) 為氣體吸收系數(shù) ,即氣體在一定頻率 f處的吸收線型 ; L 為吸收路徑的長(zhǎng)度 ; C為氣體濃度。對(duì)式 (1) 進(jìn)行變換 , 得 :c1I 0( t )（ 2）lnI( t )( f )所以通過(guò)檢測(cè)輸入光強(qiáng)和輸出光強(qiáng)的變化, 加上已知的光程 , 就可以測(cè)得氣體的濃度值。諧波檢測(cè)技術(shù)被廣泛地用于微弱信號(hào)檢測(cè)。其基本原理是通過(guò)高頻調(diào)制某個(gè)依賴于頻率的信號(hào) , 使其“掃描”待測(cè)的特征信號(hào), 然后在信號(hào)處理系統(tǒng)中 , 以調(diào)制頻率或調(diào)制頻率的倍數(shù)作為參考信號(hào) , 用鎖定放大器記錄下要得到的信息, 這一特征信息具有調(diào)制信號(hào)的一系列諧波信息。將式 (1)展開(kāi)為傅里葉級(jí)數(shù)序列

5、, 它的一次諧波 ( f )和二次諧波信號(hào)(2 f )的系數(shù)分別為:腹有詩(shī)書(shū)氣自華精品文檔你我共享IIfI 0（ 3）2 fk 0 CLI 0（ 4）下圖是光經(jīng)過(guò)氣體的信號(hào)， 一次諧波和二次諧波信號(hào)， 可以看出經(jīng)過(guò)諧波調(diào)制后信號(hào)明顯加強(qiáng)，便于測(cè)量。圖 1 頻率調(diào)制實(shí)例由式 (3) 、式 (4)可知 , 二次諧波和一次諧波的比值不含I 0 項(xiàng) , 用比值作為系統(tǒng)的輸出可以消除光強(qiáng)波動(dòng)等因素帶來(lái)的干擾。I 2 f2k（ 5）I f0CL根據(jù) Beer-Lambert定律 , 如果激光器的中心波長(zhǎng)和氣體吸收峰中心波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn), 則通過(guò)測(cè)量光通過(guò)氣體時(shí)的損耗就可以檢測(cè)氣體的濃度。然而 , 一般氣體的吸收峰

6、很窄, 光源波長(zhǎng)隨環(huán)境( 溫度 ) 的漂移將引起光源中心波長(zhǎng)偏離氣體吸收峰的中心波長(zhǎng), 引起吸收系數(shù)隨溫度變化, 因而也導(dǎo)致測(cè)量的不穩(wěn)定。通過(guò)光源頻率調(diào)制和附加參考?xì)怏w的方法將光源波長(zhǎng)精確地穩(wěn)定在氣體吸收峰中心波長(zhǎng)上 , 由于氣體的吸收特性 , 光經(jīng)過(guò)氣體的頻率調(diào)制轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度調(diào)制, 其幅度大小正比于吸收峰的高度 , 也就正比于氣體的濃度。式（ 4）二次諧波的幅度可用于測(cè)量氣體的濃度。2.2甲烷的吸收譜帶特性甲烷氣體的本征吸收譜在 1 = 3. 43 m、 2 =6. 78 m、 3 = 3. 31 m 和 4 = 7. 66 m 處 ,然而工作在室溫下的激光器僅對(duì)2 m 以下的波長(zhǎng)適用 ,商用

7、的低損耗光纖也限制在后者的波長(zhǎng)范圍內(nèi) (1. 0 -1.7 m) 。甲烷的結(jié)合帶 f 2 + f 3 和泛頻帶 2 f 3 皆存在 ,分別為 1. 3 m和 1. 6m ,如圖 2 所示 ，圖2表明 ,甲烷氣體在 1. 6 m 處的吸收強(qiáng)度遠(yuǎn)大于 1. 3 m 的吸收強(qiáng)度。腹有詩(shī)書(shū)氣自華精品文檔你我共享圖 2 甲烷氣體的吸收譜由甲烷氣體在1. 6 m 處的精細(xì)結(jié)構(gòu)譜可知(見(jiàn)圖 3) ,在 1. 66 m 支帶吸收線是相當(dāng)強(qiáng)的,而且水蒸氣、 二氧化碳等在此處無(wú)明顯的吸收。實(shí)驗(yàn)選用中心波長(zhǎng)為1. 66 m的分布反饋式半導(dǎo)體激光器( DFB LD) 作為光源。圖 3 甲烷在 1.66 m 處的精細(xì)結(jié)

8、構(gòu)譜圖3.甲烷氣體檢測(cè)系統(tǒng)3.1光源的選擇光纖氣體傳感器所選用光源應(yīng)滿足的條件是:輸出中心頻率同氣體的吸收譜線特征相吻合, 與光纖的低損耗窗口相適應(yīng), 溫度特性良好。 由以上分析可知DFBLD 的光源的中心譜線就在 1. 66m處，因?yàn)榉植挤答伿? DFB ) 半導(dǎo)體激光器是將光柵放在半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)內(nèi)代替反射面進(jìn)行反射, 由于光柵只反射一定波長(zhǎng)的光波, 所以在多個(gè)頻譜中選取了與光柵固有波長(zhǎng)相同的光震蕩, 具有譜線窄、功率大、單縱模運(yùn)行等特點(diǎn), 并且可以通過(guò)調(diào)制溫度和注入電流來(lái)粗調(diào)和精調(diào)其輸出波長(zhǎng)。分布反饋式半導(dǎo)體激光器作為光源的氣體傳感技術(shù)在靈敏度、選擇性、動(dòng)態(tài)范圍、信噪比和響應(yīng)時(shí)間等方

9、面比傳統(tǒng)方法有諸多優(yōu)點(diǎn), 是光纖氣體傳感器的首選光源。3.2氣室的選擇在實(shí)驗(yàn)室中我們采用的是封閉式的氣室，這樣有利于實(shí)驗(yàn)的操作，且不污染環(huán)境，氣室腹有詩(shī)書(shū)氣自華精品文檔你我共享選用特殊設(shè)計(jì)的小型漸變折射率透鏡構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)如圖4, 小型漸變折射率透鏡可以設(shè)計(jì)帶尾纖 , 能夠與光纖很好地耦合。圖4氣室結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中， 我們考慮采用開(kāi)放式的氣室，參考東京電力公司的一個(gè)氣體檢測(cè)設(shè)備用的探測(cè)頭，其結(jié)構(gòu)如圖5 ，用這種器件構(gòu)成的氣室耦合損耗小, 易準(zhǔn)直 , 小巧且易于安裝。圖 5 氣體探測(cè)頭的結(jié)構(gòu)圖 6 探測(cè)頭的成品圖此氣室探測(cè)頭滿足一下要求：在探測(cè)頭中， 光通過(guò) “ space propagationc

10、omponent ”（空間組件） ；空間組件中的損耗和噪聲要小，便于測(cè)量低濃度甲烷氣體；過(guò)濾器和空間組件可以更換；3.3系統(tǒng)的組成光纖甲烷傳感系統(tǒng)框圖如圖7所示 ,主要由光源部分、測(cè)量光路、 參考光路、 調(diào)制電路、光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理部分組成。通過(guò)調(diào)節(jié)激光器的注入電流對(duì)其輸出波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)制, 使其掃描的范圍正好覆蓋氣體的某一個(gè)吸收峰。從DFBLD出射的激光經(jīng)光隔離器到50：50的光纖耦合器 , 一部分光到測(cè)量氣室, 另外一部分到達(dá)參考?xì)馐?, 參考?xì)馐已b有 100%的純甲烷氣體 ,從參考?xì)馐逸敵龅墓饨?jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào), 由鎖相放大器提取其一次諧波信號(hào)經(jīng)積分器作為反饋信號(hào)使激光器的輸出波長(zhǎng)精確

11、地鎖定在氣體的吸收峰上。從測(cè)量氣室輸出的光經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào), 用鎖相放大器提取其二次諧波信號(hào), 然后通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理。腹有詩(shī)書(shū)氣自華精品文檔你我共享圖 7甲烷氣體檢測(cè)系統(tǒng)框架圖3.4測(cè)量結(jié)果通過(guò)測(cè)量不同濃度下的甲烷氣體的二次諧波信號(hào)幅值，在根據(jù)測(cè)量值進(jìn)行擬合，線性如圖 8，表明二次諧波信號(hào)的幅值與氣體濃度之間有非常好的線性關(guān)系。圖 8 甲烷氣體濃度檢測(cè)曲線4. 總結(jié)與展望光纖氣體檢測(cè)技術(shù)是一種新興的氣體檢測(cè)技術(shù),隨著低損耗光纖的實(shí)用化,它可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào) , 把氣體敏感單元放在易燃、 易爆、有毒、 高溫的環(huán)境中 , 在安全的地方進(jìn)行信號(hào)處理 , 而且它還不受電磁干擾

12、, 測(cè)量靈敏度高 , 響應(yīng)速度快 , 用波分復(fù)用技術(shù)易于組成傳感網(wǎng)絡(luò)。且本檢測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)改變激光器的中心波長(zhǎng)來(lái)測(cè)量不同氣體的濃度, 由于采用全光纖結(jié)構(gòu) , 避免了復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng) , 可以廣泛用于石油、 化工、管道、 煤礦和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)：1234 陳林，景峰 高功率 LDA泵浦固體激光器研究 學(xué)位論文 5 杜秀蘭，吳峰固體激光器燈泵浦和二極管泵浦方式比較 期刊論文 腹有詩(shī)書(shū)氣自華精品文檔你我共享6 趙欣 LD 端面泵浦 Nd：YAG激光器的研究 學(xué)位論文 出師表兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂， 今天下三分， 益州疲弊， 此誠(chéng)危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者

13、，蓋追先帝之殊遇，欲報(bào)之于陛下也。誠(chéng)宜開(kāi)張圣聽(tīng)，以光先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。宮中府中，俱為一體；陟罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者，宜付有司論其刑賞，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使內(nèi)外異法也。侍中、侍郎郭攸之、費(fèi)祎、董允等，此皆良實(shí)，志慮忠純，是以先帝簡(jiǎn)拔以遺陛下：愚以為宮中之事，事無(wú)大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補(bǔ)闕漏，有所廣益。將軍向?qū)?，性行淑均，曉暢軍事，試用于昔日，先帝稱(chēng)之曰“能 ”，是以眾議舉寵為督：愚以為營(yíng)中之事，悉以咨之，必能使行陣和睦，優(yōu)劣得所。親賢臣， 遠(yuǎn)小人， 此先漢所以興隆也； 親小人， 遠(yuǎn)賢臣， 此后漢所以傾頹也。 先帝在時(shí)，每與臣論此事， 未嘗不嘆息痛恨于桓、 靈也。 侍中、尚書(shū)、 長(zhǎng)史、 參軍，此悉貞良死節(jié)之臣，愿陛下親之、信之，則漢室之隆，可計(jì)日而待也。臣本布衣，躬耕于南陽(yáng)，茍全性命于亂世，不求聞達(dá)于諸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顧臣于草廬之中，咨臣以當(dāng)世之事，由是感激，遂許先帝以驅(qū)馳。后值傾覆，受任于敗軍之際，奉命于危難之間，爾來(lái)二十有一年矣。先帝知臣謹(jǐn)慎，故臨崩寄臣以大事也。受命以來(lái)，夙夜憂