基于激光近紅外光譜的甲烷氣體濃度檢測(cè)

基于激光近紅外光譜的甲烷氣體濃度檢測(cè)

1實(shí)時(shí)熒光傳感器的應(yīng)用甲烷是一種易分解的氣體。這是沼氣、天然氣和各種液體燃料的主要成分。其在大氣中的爆炸下限為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。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(DFBLD),其中心波長(zhǎng)在1.66μm,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),系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度為7×10-5/m。2氣體表的檢測(cè)原理和性能2.1譜線(xiàn)諧波信號(hào)檢測(cè)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(xiàn),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)=I0(t)exp[-α(f)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(xiàn)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:C=1α(f)LlnI0(t)I(t)(2)C=1α(f)LlnΙ0(t)Ι(t)(2)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(lài)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,它的一次諧波(f)和二次諧波信號(hào)(2f)的系數(shù)分別為:If=I0η(3)I2f=-kαoCLI0(4)由式(3)、式(4)可知,二次諧波和一次諧波的比值不含I0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。I2fIf=?2kηα0CL(5)Ι2fΙf=-2kηα0CL(5)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。一次諧波為零,二次諧波的幅度可用于測(cè)量氣體的濃度。2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論甲烷氣體的本征吸收譜在λ1=3.43μm、λ2=6.78μm、λ3=3.31μm和λ4=7.66μm處,然而工作在室溫下的激光器僅對(duì)2μm以下的波長(zhǎng)適用,商用的低損耗光纖也限制在后者的波長(zhǎng)范圍內(nèi)(1.0～1.7μm)。甲烷的結(jié)合帶f2+f3和泛頻帶2f3皆存在,分別為1.3μm和1.6μm,如圖1所示。圖1表明,甲烷氣體在1.6μm處的吸收強(qiáng)度遠(yuǎn)大于1.3μm的吸收強(qiáng)度。由甲烷氣體在1.6μm處的精細(xì)結(jié)構(gòu)譜可知(見(jiàn)圖2),在1.66μm的Q(6)支帶吸收線(xiàn)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。DFBLD性能好,穩(wěn)定性好,其中心波長(zhǎng)可以通過(guò)改變溫度或注入電流來(lái)調(diào)節(jié),所以選用λ為1.66μm的DFBLD作為激發(fā)光源,檢測(cè)甲烷氣體的濃度。3dfbld的頻率調(diào)制諧波檢測(cè)法檢測(cè)氣體濃度的框圖如圖3所示。圖3中,采用的DFBLD前后兩面均發(fā)射激光。后面激光穿過(guò)參考?xì)馐?里面充有固定濃度的甲烷。當(dāng)激光中心平均波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)氣體吸收峰的波長(zhǎng),輸出光應(yīng)該包含有調(diào)制頻率的二次諧波。同時(shí),一次諧波近似為零,若有偏差,就會(huì)有一次諧波產(chǎn)生,利用一次諧波作為反饋信號(hào)可以將光源波長(zhǎng)精確地鎖定在氣體吸收峰上。DFBLD的中心波長(zhǎng)通過(guò)調(diào)節(jié)激光器的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于波長(zhǎng)鎖定的激光器,輸出前向正弦調(diào)制光,通過(guò)氣體吸收盒后,由于氣體的吸收效應(yīng),頻率調(diào)制轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度調(diào)制,其幅度的大小正比于氣體的濃度。帶著氣體濃度信息的光照射在光電二級(jí)管(PIN)上,使之轉(zhuǎn)換為電信號(hào),經(jīng)過(guò)鎖相放大器的兩路頻率信號(hào)進(jìn)入除法器,二次諧波與一次諧波的比值作為系統(tǒng)的輸出,消除光源波動(dòng)等共模噪聲,通過(guò)調(diào)制同步檢測(cè)電路及單片機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集、處理與計(jì)算機(jī)通訊,顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。4氣室注入的氣體實(shí)驗(yàn)中,選擇氣室長(zhǎng)度L為10cm,參考?xì)馐议L(zhǎng)度為3cm,氣室有進(jìn)氣孔、出氣孔,進(jìn)氣孔通過(guò)針閥控制注入氣室的氣體流量,出氣孔接有真空泵,可使氣室抽真空。光纖長(zhǎng)度為100m,內(nèi)徑為100μm。采用不同濃度的甲烷氣體分別注入氣室中進(jìn)行測(cè)量,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,研制的光纖氣體傳感器系統(tǒng)的性能穩(wěn)定,靈敏度高,重復(fù)性好。5探測(cè)靈敏度結(jié)果采用λ為1.66μm的DFBLD甲烷諧