檢測大氣污染光纖傳感器

1、監(jiān)測大氣污染光纖傳感器劉非 1132130107航天學院 電子信息科學技術系指導教師：劉麗華摘要：在大氣中有礙人體健康、有害生物和植物的代表物有:氮氧化物、二氧化碳、二氧化硫、有機磷化物等等。大氣污染監(jiān)測的任務就是對有害物質的來源、分布、數量、動向等進行觀察、分析。早期的激光雷達可以對污染空氣進行連續(xù)、實時地監(jiān)測, 但是由于激光雷達需要直線地、無障礙地傳輸, 因此它只能監(jiān)測高空中污染氣體濃度, 其監(jiān)測質量與大氣能見度有關 。由于光纖傳感器具有抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質安全、靈敏度高、便于復用, 便于成網等諸多優(yōu)點以及廣泛研究, 已出現了多種用于大氣污染監(jiān)測的光纖傳感器。如監(jiān)測城市和工業(yè)區(qū)

2、中的大氣污染氣體(NO2 , HCl, CH4)濃度以及煤礦、石油、天然氣開采中的甲烷氣體濃度。關鍵詞：大氣污染 光纖傳感 監(jiān)測1. 監(jiān)測大氣污染光纖傳感器的分類監(jiān)測大氣污染光纖傳感器, 按光纖在其中所起的作用可以分為傳光型和傳感型兩類。所謂傳光型是指:光纖在其中僅僅作為傳光的媒介, 光纖是不連續(xù)的, 其間有中斷, 中斷部分要加上其他敏感元件才能構成傳感器。所謂傳感型是指:在這類傳感器中, 光纖不僅起傳光作用, 而且還利用光纖在外界因素, 如溫度, 壓力,電場, 磁場等作用下, 使其傳光特性發(fā)生變化以實現傳感測量, 光纖具有傳感合一的功能。其中, 傳光型又包括吸收光譜型、反射光型和熒光光譜型。

3、傳感型主要是利用彈光效應進行檢測。這里, 我們以吸收光譜型光纖氣體傳感器為例來說明其應用原理。2吸收光譜型光纖氣體傳感器2.1系統(tǒng)工作原理 這種傳感器屬于傳光型。基于氣體的吸收光譜隨物質的成分而變的原理、不同氣體分子對應不同的吸收譜線, 測量某一特定吸收譜線強度, 就可以檢測氣體中的某種成分。表1列出了一些氣體分子的吸收帶中心波長。 當光通過介質時, 由比爾定律可知 2 , 光的吸收系數與物質的濃度、通過吸收介質長度與透射光強滿足以下關系I=I0 exp -(cl+l+l+) , 美國國家空氣污染控制管理局( N A P CA ) 芝加哥監(jiān)測站測得的1創(chuàng)飽年各種污染物的平均濃度式中, I, I

4、0 分別是透射和入射光強;是一定波長下的單位濃度、單位長度介質的吸收系數;是瑞利散射系數;是米氏散射系數;是氣體密度波動造成的吸收系數;l是待測氣體與光相互作用的長度;c是待測氣體濃度。僅從(1)式來確定待測氣體的濃度是很困難的。如果用兩個波長(1 , 2 )相隔很近(但在吸收系數上有很大差別)的單色光同時或相差很短時間內通過待測氣體, 則待測氣體的濃度可以簡化為 在兩波長已知下, 若氣體的吸收系數可以測量, 就可以根據輸入輸出光強的變化量求出氣體的濃度。2.2 喇曼散射方法 使用大功率激光照射污染區(qū)域, 其后向散射光的頻率將產生變化, 頻移的數值由污染分子本身的振動頻率決定。各種污染物質都有

5、其特征的、相對于激勵光的喇曼頻移, 圖2 是幾種污染分子的喇曼頻移咖。測量散射光的頻移數值, 就可以識別出污染氣體的成分。通過將后向散射的強度和N : 或O: 的喇曼散射強度進行比較, 可以確定各個污染物的絕對濃度( 因為, 在大氣中N , 或O: 的濃度是一定的)。除了能測量絕對濃度以外, 喇曼散射檢測污染的優(yōu)點還有: 利用單一波長的激光器可以測量出不同污染氣體的存在, 激光波長可以選擇在大氣透明光譜區(qū)。激光發(fā)射機和接收系統(tǒng)可以放在一起,便于制成緊湊的, 可移動的裝置。這種方法可以遙測大氣污染, 測量的深度分辨率很高。其缺點是喇曼散射截面小, 只有10-31-10-20匣米2 ·球

6、面度一1 , 限制了測量距離, 這就要求采用大功率激光器, 又增加了對人眼危害的危險性。2.3激光誘導熒光法 激光誘導熒光法是用特定波長的激光束,激發(fā)NO2 (或NO) 分子到較高能級,處于高能級的NO2(或NO3 ) 躍遷回基態(tài)時會以光子發(fā)射的形式釋放能量,其光子發(fā)射時間延遲很短( < 10-5 s) ,稱為熒光,熒光強度與其濃度成正比。光電轉換器吸收熒光產生光電流,光電流的大小與NO2 1852 年Stokes 指出,用波長較短的光可以激發(fā)出波長較長的光,也就是能量大的光子可以激發(fā)能低的光子,此為激光誘導熒光法的理論依據。實際上,該方法也適用于檢測大氣中的其他污染物, 如SO2 等。

7、激光誘導熒光法屬于光學法,響應速度快,靈敏度很高,可實現很低的檢測極限。然而由于系統(tǒng)過于復雜和精密,造價很高,大多用于科學研究,目前還沒有大規(guī)模商品化。2.4 光纖傳感技術 光纖傳感(或NO) 的濃度成線性,可由光電強度判定其濃度。器的一般工作原理是:由光源發(fā)出的光,經光纖傳感到檢測點,外界被測參量將對光信號進行調制(如通過吸收、散射、反射、熒光、光聲或其他光學效應) ,再經光纖傳至光電探測器進行檢測。NO2 特征吸收譜線在石英光纖的低損耗傳輸光波長范圍內,基于朗比定律或其他光學原理可以測定其濃度。 光纖氣體吸收傳感系統(tǒng)見圖1 。選擇波長與NO2 氣體分子吸收譜線相匹配的光源,就可以檢測其濃度

8、。如采用其他光源,調整單色儀可檢測其他氣體分子的濃度,因而具有比較廣泛的適用性。 光纖傳感技術用于監(jiān)測NO2 濃度的系統(tǒng)已見報道。有人利用氬離子激光器和光纖系統(tǒng),根據NO2 氣體在光波長496. 5 nm 處的吸收探測其濃度;還有人采用上述激光器和光纖馬赫曾德爾干涉裝置, 用激光光聲法在露天條件下檢測NO2濃度3 。光纖傳感技術已在環(huán)境科學領域嶄露頭角。光纖傳感器顯著的優(yōu)點是體積小,易撓曲,可對有毒有害、易燃易爆環(huán)境進行多點實時遙控,具有較高的選擇性、準確性和靈敏度。但光纖傳感器還存在一些有待解決的問題,如測量范圍不夠寬(受光纖傳輸特性的影響) ,時間穩(wěn)定性差等。由于光纖傳輸光波長范圍的限制,

9、使不少物質的強吸收特征譜線不能用光纖傳感器檢測,然而可以預料,性能優(yōu)良的新型光纖傳感器將會不斷出現。2.5 激光雷達探測法 激光雷達探測法的基本原理是差分吸收測量,即利用待測氣體分子的吸收特性測量其濃度(見圖2) 。差分吸收測量激光雷達向大氣中的同一光路發(fā)射波長接近的兩束脈沖激光,其中一個波長正處于待測氣體的吸收線上,它被待測氣體較強地吸收;另一波長處于待測氣體吸收線的邊翼或吸收線外,待測氣體對它的吸收很小或沒有吸收。由于這兩束激光波長相近,其他氣體分子和氣溶膠對于這兩個波長的消光在一般情況下基本相同,以至于可以忽略。兩束激光回波強度的差異僅由待測氣體分子的吸收所引起,從而根據兩個波長回波強度

10、的差分,可以確定待測氣體分子的濃度。差分吸收測量方法利用的是待測氣體的吸收和大氣(包括大氣氣體分子和氣溶膠) 的彈性后向散射原理。一般在所選擇的波長處,氣體的吸收截面較大,并且大氣氣體的彈性后向散射截面和雷達回波的強度很大,易于接收測量。這兩個因素結合在一起,形成了差分吸收測量方法的高靈敏度,再加上激光雷達距離分辨率高、能大范圍實時測量的特點,使差分吸收激光雷達成為測量氣體分子濃度空間分布的一種有力工具4 。 目前先進的測污激光雷達一般能測量污染物的二維和三維空間分布。根據不同時間、不同位置剖面圖的濃度等值線分布情況,可以確定污染物的流向和流速,由此可以確定污染物如何在一個地區(qū)傳播。激光雷達技

11、術比傳統(tǒng)的測量技術更簡便易行,在某些情況下還可以提供其他地面測量技術無法得到或耗費巨資才能得到的數據。激光雷達大氣污染測量系統(tǒng)越來越多地應用于大氣環(huán)境污染的監(jiān)測和研究,已成為大范圍快速監(jiān)測大氣環(huán)境的新一代高技術手段,在近地面大氣污染監(jiān)測中發(fā)揮了常規(guī)監(jiān)測手段不可替代的作用。2.6 化學發(fā)光法 在某些化學反應中生成了激發(fā)態(tài)產物,激發(fā)態(tài)產物以光子形式釋放能量,這就是化學發(fā)光現象。通過測量化學發(fā)光強度對物質進行分析測定的方法稱為化學發(fā)光分析法。 化學發(fā)光法檢測大氣中NOx 的原理是NO 與O3 反應生成激發(fā)態(tài)的NO2,當NO2躍遷回基態(tài)時放出光子,光強與NO 濃度成正比,光電轉換器吸收光子產生光電流,

12、光電流強度與NO 濃度成線性,可通過光電強度判定NO 濃度。為得到NOx的總濃度,該方法要求將待測氣樣中的NO2 預先轉化為NO5 ,6 。 NOx 可與多種物質進行化學發(fā)光反應,之所以用O3 是因為容易制備。在反應室中通入待測NO 氣樣和一定濃度的O3 ,反應時的溫度控制在一定范圍內,O3 濃度應遠高于NO ,使NO 完全反應。在一定工作條件下,NO 和O3 反應的發(fā)光強度與其濃度成正比,比例系數與以下因素有關: 反應率,指在反應室內與O3 發(fā)生反應的NO 分子數與流經反應室的NO 分子總數之比; 激發(fā)率,指在反應中能夠生成激發(fā)態(tài)NO2的NO 分子數與反應的NO 分子總數之比; 發(fā)射率,指反

13、應生成的處于激發(fā)態(tài)的NO2中能夠發(fā)射光子的分子數與NO2總分子數之比。簡而言之,反應室中的NO濃度與化學發(fā)光強度成正比。通過對系統(tǒng)數據的分析,可以得到分精確的NO 濃度與發(fā)光強度的函數關系式,測量發(fā)光強度就可以得到NO 濃度。反應產生的光可由光電探測器件檢測。由于反應生成的光十分弱,光電探測器件需使用光電倍增管(Photo Multiple Tube ,簡稱PMT) 。光電倍增管輸出的電信號經計數板處理后,以數據形式存入電腦,經電腦軟件處理就可得到NO 濃度。為檢測NOx 中NO2 的濃度,必須將氣樣中的NO2 轉化為NO。一般采用金屬還原法,即用特定 活潑的金屬在高溫下與NO2 反應,奪取其

14、中的一個O 原子,使其還原為NO ,通常用鉬(Mo) 作還原劑。NO2 轉化為NO 后,即可用上述方法檢測其濃度。如此,NOx 中2 種主要成分NO2 和NO 就可在同一系統(tǒng)中檢測7 ?；瘜W發(fā)光法檢測NOx 的理論和技術是20 世紀60 年代研究的熱點,當時已有了較成熟的產品。歷經幾十年的發(fā)展,目前化學發(fā)光法NOx 分析儀已經十分完善,其檢測限和靈敏度完全能滿足大氣環(huán)境監(jiān)測的需要,并具有結構簡單、造價較低等優(yōu)點,還可實現自動監(jiān)測與在線監(jiān)測。2監(jiān)測系統(tǒng) 如圖1所示。系統(tǒng)主要由發(fā)光部分、傳感部分和信號處理部分組成。此光源實際上是一臺氬離子激光器, 它的輸出包含兩種單色光波, 1 =488.0nm,

15、 2 =514.5nm。這兩種波長一部分光通過耦合器耦合到光纖中, 另一部分進入校準盒, 然后進入到監(jiān)測器, 這樣就可以得到輸入光強I01和I02 。沿光纖傳輸的一部分光到達待測地點的傳感頭中。在傳感頭中兩波長的光與待測氣體相互作用, 氣體對兩波長的光有不同的吸收, 經過吸收后的光經光纖送到處理中心, 由此輸出待測氣體濃度信號。這種監(jiān)測系統(tǒng)的精度及靈敏度很高, 且采用光纖作為傳光通道, 因此它不受電磁干擾影響, 能在各種特殊環(huán)境下經濟、實時和安全地實現遙測。對于吸收光譜型光纖氣體傳感器, 需要有寬帶連續(xù)光譜的光源, 考慮待測氣體吸收譜線和光纖對該譜線的傳輸損耗, 以及光探測器的光譜響應特性,

16、根據這些關系, 只要適當地選擇光源的波長和光纖、光探測器等, 就可以構成測量不同氣體的光纖傳感器。圖2 給出了某些氣體的吸收譜線與常用探測器的光譜響應、發(fā)光器件的光譜及石英光纖的損耗譜之間的對應關系。圖3給出了應用差分吸收法對空氣中的NO2 濃度的監(jiān)測結果。 3應用現狀及發(fā)展前景 目前, 吸收光譜型傳感系統(tǒng)應用于監(jiān)測甲烷氣體, 其靈敏度可達甲烷氣體爆炸的下限 。因此它可用于煤礦井下的瓦斯報警系統(tǒng), 還可用于石油、化工以及各種情況下對有害氣體的遠距離監(jiān)測。此外, 還可利用反射光型、熒光光譜型以及彈光效應進行檢測的系統(tǒng)。而且前大多檢測系統(tǒng)只能檢測一種氣體成分, 這樣就限制了傳感器的適用性。國外在光

17、纖氣體傳感器的開發(fā)方面取得了令人矚目的成就, 而我國在這方面的研究起步較晚, 大多處于實驗室研究階段。隨著光源技術、光纖技術及探測器技術的發(fā)展, 設計多光路系統(tǒng)設計以及相應的軟件解調系統(tǒng)構成光纖傳感網絡系統(tǒng), 實現在線多點檢測多種氣體, 將成為監(jiān)測大氣污染的一個有效的工具。 當今社會要求通過環(huán)境監(jiān)測,能夠及時、全面地獲取與傳遞地區(qū)、國家乃至全球的環(huán)境狀況,檢測環(huán)境污染的技術也應實現自動化。通過對上述幾種檢測方法的介紹與分析,可見光電技術已在大氣NOx 檢測中得到了廣泛應用,并具有良好的發(fā)展前景,將對環(huán)境保護工作起到巨大的推動作用。參考文獻: 1 HUMIOI.OpticsRemoteSesin

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