基于近紅外吸收的光纖甲烷氣體傳感器的研究

基于近紅外吸收的光纖甲烷氣體傳感器的研究

1工業(yè)生命質(zhì)量安全甲醇是一個(gè)易學(xué)的氣體，是礦山中巖性瓦和各種液體燃材料的主要成分。瓦斯爆炸是煤礦安全的最大威脅,據(jù)統(tǒng)計(jì),我國的瓦斯事故已占到煤礦事故的80%以上。瓦斯爆炸需要同時(shí)滿足三個(gè)條件,即礦井中氧氣濃度在18%以上,甲烷濃度在5%～15%范圍之內(nèi),有明火存在。因此對甲烷氣體濃度進(jìn)行準(zhǔn)確、快速實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警是治理瓦斯災(zāi)害的有效手段,對保障礦工的生命財(cái)產(chǎn)安全是至關(guān)重要的。目前,甲烷的監(jiān)測還主要采用化學(xué)傳感器,這類傳感器由于采用的是化學(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)測系統(tǒng)的可靠性。光纖氣體檢測技術(shù)是一種新興的氣體檢測技術(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,測量靈敏度高,響應(yīng)速度快,易于組成傳感網(wǎng)絡(luò),已有眾多學(xué)者投入到這方面的研究。基于氣體分子的近紅外吸收特性的光纖氣體傳感技術(shù)是利用氣體分子振動(dòng)的倍頻或合頻吸收,與氣體分子在中紅外的本征吸收相比吸收非常弱,但近紅外波段的半導(dǎo)體激光器由于光纖通信技術(shù)的發(fā)展價(jià)格越來越低,可以使檢測系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和性價(jià)比。利用波長調(diào)制技術(shù)(WMS)或頻率調(diào)制技術(shù)(FMS)可以有效地檢測此類微弱信號(hào)。本文在分析氣體濃度諧波檢測的基礎(chǔ)上,基于甲烷氣體在近紅外波段的吸收特性,選擇合適的半導(dǎo)體光源,設(shè)計(jì)出光纖甲烷氣體檢測系統(tǒng),并采取穩(wěn)頻措施,對激光器輸出的中心波長進(jìn)行鎖定。2氣體長度與n次傅里葉系數(shù)半導(dǎo)體激光器的注入電流受到一個(gè)余弦信號(hào)的調(diào)制,其注入電流可以表示為:i(t)=i0+ibcos(2πft)(1)式中,i0為激光器的偏置電流;ib為調(diào)制電流的幅值;f為調(diào)制頻率,由于激光器的輸出頻率隨其注入電流變化,它的輸出頻率在某一時(shí)刻可以表示為:υ(t)=υc+υbcos(2πft)(2)式中,υc為激光器在偏置電流i0時(shí)所對應(yīng)的頻率;υb為頻率調(diào)制幅度。如果氣體的吸收譜線在入射光譜的范圍之內(nèi),那么光通過氣體以后,在相應(yīng)譜線處會(huì)發(fā)生光強(qiáng)的衰減,輸出光強(qiáng)I(υ),輸入光強(qiáng)I0(υ)和氣體濃度之間用比爾-朗伯定律表示:I(υ)=I0(υ)exp[-α(υ)LC](3)式中,α(υ)為氣體在某一頻率處的吸收系數(shù);C為氣體濃度;L為光通過氣體的長度。在理想情況下,認(rèn)為激光器輸出光強(qiáng)不隨頻率變化,經(jīng)氣室后光電探測器所接受到的光強(qiáng)為ID,則:ID(υc,υb,t)=TI0exp[-α(υc+υbcos(2πft))·LC](4)式中,T為系統(tǒng)設(shè)備的光強(qiáng)傳遞函數(shù),在頻率變化不大時(shí)可認(rèn)為是常數(shù)。由于α(υ)LC?1,則式(4)可以化簡為:ID(υc,υb,t)=TI0[1-α(υc+υbcos(2πft))LC](5)ID(υc,υb,t)是關(guān)于t的偶函數(shù),進(jìn)行傅里葉展開,得:ID(υc,υb,t)=∑n=0∞Ancos(2πnft)(6)ΙD(υc,υb,t)=∑n=0∞Ancos(2πnft)(6)其中,對應(yīng)于n>1次傅里葉系數(shù)為:An=?2τTI0LC×∫τ0α(υc+υbcos(2πft))?cos(2πnft)dt(7)An=-2τΤΙ0LC×∫0τα(υc+υbcos(2πft))?cos(2πnft)dt(7)式中,τ為半個(gè)余弦周期;積分項(xiàng)在υc,υb確定時(shí)為常數(shù)。ID(υc,υb,t)的n次傅里葉系數(shù)An的幅值與待測氣體的濃度成正比。經(jīng)光電探測器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),利用鎖相放大器對其n次諧波進(jìn)行檢測。氣體壓力接近一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí),紅外光譜的碰撞展寬起主要作用,可用Lorenz曲線描述甲烷分子的吸收譜線型:α(υ)=α01+(υ?υgδυ)2(8)α(υ)=α01+(υ-υgδυ)2(8)式中,α0表示純氣體在吸收線中心的吸收系數(shù);υg和δυ分別對應(yīng)吸收峰的中心頻率和吸收線半寬,可見為一對稱吸收線型。對于對稱的吸收線型來說,偶次諧波分量的最大值出現(xiàn)在中心波長處,奇次諧波分量的最大值相對中心波長有一個(gè)偏移,而且隨著諧波次數(shù)的增加,其幅值逐漸降低,又由于低次諧波分量容易被鎖相放大器檢測,測量二次諧波信號(hào)能夠非常有效地測得氣體的濃度,因此我們選用二次諧波信號(hào)作為氣體濃度的測量信號(hào)。由式(7)可得:A2=?2τTI0LC×∫τ0α(υc+υbcos(2πft))?cos(4πft)dt(9)A2=-2τΤΙ0LC×∫0τα(υc+υbcos(2πft))?cos(4πft)dt(9)如果在實(shí)驗(yàn)中能夠取定υc和υb的值,則∫τ00τα(υc+υbcos(2πft))cos(4πft)dt=h為一常數(shù),所以:A2=?2τTI0LCh(10)A2=-2τΤΙ0LCh(10)即通過測量二次諧波的強(qiáng)度就可以得到氣體的濃度。3系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1實(shí)驗(yàn)用成像技術(shù)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。甲烷氣體分子具有的4個(gè)基本振動(dòng)所對應(yīng)的波長分別為3.433μm,6.522μm,3.312μm和7.658μm,這些波段位于適應(yīng)光纖的高衰減區(qū),且此波段的光源和探測器需要低溫制冷,結(jié)構(gòu)笨重,不能廣泛應(yīng)用于光纖氣體傳感器。甲烷氣體分子在泛頻帶2υ3和組合頻帶υ2+2υ3有較強(qiáng)的吸收,波長分別為1.6μm和1.3μm左右,甲烷在1.66μm附近的精細(xì)結(jié)構(gòu)譜圖如圖1所示?？梢?甲烷氣體在1.66μm有比較明顯的吸收,因此,實(shí)驗(yàn)選用中心波長為1.66μm的分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFBLD)作為光源。分布反饋式(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的光波,所以在多個(gè)頻譜中選取了與光柵固有波長相同的光震蕩,具有譜線窄、功率大、單縱模運(yùn)行等特點(diǎn),并且可以通過調(diào)制溫度和注入電流來粗調(diào)和精調(diào)其輸出波長。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系統(tǒng)的帶氣結(jié)構(gòu)氣室選用特殊設(shè)計(jì)的小型漸變折射率透鏡構(gòu)成的開放式氣室,通光的中心波長為1665nm,帶寬約為20nm,滿足系統(tǒng)中所選光源的要求,插入損耗小于等于0.05dB,氣室長度50mm,氣室結(jié)構(gòu)如圖2所示。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,用這種器件構(gòu)成的氣室耦合損耗小,易準(zhǔn)直,溫度穩(wěn)定性,抗震性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過分立元件組成的氣室。3.3氣體波長調(diào)制方法光纖甲烷傳感系統(tǒng)框圖如圖3所示,主要由光源部分、測量光路、參考光路、調(diào)制電路、光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理部分組成。信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生正弦波,通過調(diào)節(jié)激光器的注入電流對其輸出波長進(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精確地鎖定在氣體的吸收峰上,使原理部分提到的υc等于氣體的吸收峰。從測量氣室輸出的光經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號(hào),用鎖相放大器提取其二次諧波信號(hào),然后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理。4氣體濃度對二次諧波信號(hào)的影響采用圖3所示的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),選用2km的9/125μm單模光纖,在1.6μm波長左右的傳輸損耗低于1dB/km;選用低噪聲,高靈敏度的InGaAsPIN光電二極管作為光電探測器,其波長響應(yīng)范圍在850～1700nm;選用SR830型號(hào)的數(shù)字鎖相放大器,選擇其靈敏度為1V,時(shí)間常數(shù)為100ms。參考?xì)馐抑醒b有100%的純甲烷氣體。測量氣室與外界與之間用微孔濾膜隔開,消除外界干擾氣體的影響。首先利用氮?dú)鈱馐疫M(jìn)行“沖洗”,即可認(rèn)為氣室中沒有待測氣體,這時(shí)系統(tǒng)的輸出就是“零點(diǎn)”。將不同濃度的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體通入氣室進(jìn)行測量,為了抑制氣室中由于光反射而產(chǎn)生的干涉噪聲,選擇合適的調(diào)制信號(hào)頻率幅度,使干涉噪聲最小,記下不同濃度時(shí)的二次諧波信號(hào)強(qiáng)度。根據(jù)測量結(jié)果對在不同濃度時(shí)的二次諧波信號(hào)幅值與氣體濃度進(jìn)行線性擬合,如圖4所示,表明二次諧波信號(hào)的幅值與氣體濃度之間具有非常好的線性關(guān)系。在相同條件下,經(jīng)過多次測試,信號(hào)間的最大偏差小于0.2%,其重復(fù)性穩(wěn)定性良好。同時(shí)實(shí)驗(yàn)測得甲烷濃度為0.04%時(shí)的信噪比約等于2,與沒有加參考?xì)馐液瓦\(yùn)用分立元件構(gòu)成的氣室的傳感系統(tǒng)相比,其測量靈敏度和穩(wěn)定性有很大提高,表明此傳感器完全能滿足甲烷濃度的實(shí)時(shí)檢測。5測量傳感技術(shù)理論和實(shí)驗(yàn)研究了基于近紅外吸收和諧波檢測原理的光纖甲烷氣體傳感器,采用小型漸變折射率構(gòu)成的