高靈敏度光譜吸收型光纖甲烷氣體傳感器的研究

高靈敏度光譜吸收型光纖甲烷氣體傳感器的研究

甲烷是一種易分解氣體，是各種氣體燃材料，如礦山磚瓦和天然氣。在我國煤礦安全事故中,瓦斯爆炸造成的傷亡占所有重大傷亡人數(shù)的50%以上,成為實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的最大障礙,現(xiàn)場實(shí)時(shí)檢測甲烷氣體濃度對(duì)于工礦安全運(yùn)行,以及人身安全具有重要意義。本研究采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFBLD)作為光源,通過對(duì)光源的調(diào)制實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷氣體的二次諧波檢測?？朔爽F(xiàn)有儀器受光路干擾較大的缺點(diǎn),具有靈敏度高,響應(yīng)速度快,動(dòng)態(tài)范圍大,防電磁干擾,防燃防爆,不易中毒等優(yōu)點(diǎn),可將傳感頭放置在人和儀器不易進(jìn)入的易燃易爆、有毒及高溫等環(huán)境中,實(shí)現(xiàn)在線、連續(xù)遙控遙測。1紅外光譜近似公式當(dāng)一束光強(qiáng)為I0的輸入平行光通過如圖1所示的氣室時(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(υ)CL](1)Ι(t)=Ι0(t)exp[-α(υ)CL](1)式中,α(υ)為氣體吸收系數(shù),即氣體在一定頻率υ處的吸收線型;L為吸收路徑的長度;C為氣體濃度。如果光源譜分布帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣體吸收線帶寬,通過對(duì)光源的注入電流進(jìn)行正弦調(diào)制,光源頻率和輸出光強(qiáng)也將受到相應(yīng)的調(diào)制。υ=υ0+υmsinωt(2)I0′(t)=I0[1+ηsinωt](3)υ=υ0+υmsinωt(2)Ι0′(t)=Ι0[1+ηsinωt](3)υo為光源未經(jīng)調(diào)制時(shí)的中心頻率;υm為頻率調(diào)制幅度;η為光強(qiáng)調(diào)制系數(shù),式中ω=2πf,f為電流調(diào)制頻率。將式(2)、(3)代入式(1),則I(t)=I0(1+ηsinωt)exp[?α(υ0+υmsinωt)CL](4)Ι(t)=Ι0(1+ηsinωt)exp[-α(υ0+υmsinωt)CL](4)在近紅外波段,氣體的吸收系數(shù)很小,滿足α(υ)CL?1,光強(qiáng)的調(diào)制幅度也很小,即η?1,這樣就可以運(yùn)用近似公式exp[?α(υ)CL]=1?α(υ)CL(5)exp[-α(υ)CL]=1-α(υ)CL(5)并且可以忽略高階小項(xiàng)ηsinωt×α(υ0+υmsinωt)CL(6)ηsinωt×α(υ0+υmsinωt)CL(6)這時(shí)I(t)可近似為I(t)=I0[1+ηsinωt?α(υ0+υmsinωt)CL](7)Ι(t)=Ι0[1+ηsinωt-α(υ0+υmsinωt)CL](7)氣體壓力接近一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí),紅外光譜的碰撞加寬起主要作用。因此可以用Lorentz曲線描述CH4分子的吸收譜線型α(υ)=α01+(υ?υgδυ)2(8)α(υ)=α01+(υ-υgδυ)2(8)α0表示純氣體在吸收線中心的吸收系數(shù),υg和δυ分別為對(duì)應(yīng)吸收峰的中心頻率和吸收線半寬,則式(7)變?yōu)镮(t)=I0[1+ηsinωt?α0CL1+(υ0?υg+υmsinωtδυ)2(9)Ι(t)=Ι0[1+ηsinωt-α0CL1+(υ0-υg+υmsinωtδυ)2(9)當(dāng)光源輸出中心波長被精確地鎖定在氣體吸收峰上時(shí),υ0=υg,則I(t)=I0[1+ηsinωt?α0CL1+x2sin2ωt](10)Ι(t)=Ι0[1+ηsinωt-α0CL1+x2sin2ωt](10)定義x=υm/δυ,將式(10)展開為傅里葉級(jí)數(shù)序列,它的一次諧波(f)和二次諧波(2f)的系數(shù)分別為If=I0η(11)I2f=?kα0CLI0(12)Ιf=Ι0η(11)Ι2f=-kα0CLΙ0(12)式中,k=2[2+x2?2(1+x2)1/2]x2(1+x2)1/2(13)k=2[2+x2-2(1+x2)1/2]x2(1+x2)1/2(13)k為x的函數(shù),如圖2所示,x可以被調(diào)節(jié)到二次諧波的最大值,當(dāng)二次諧波取得最大值時(shí),dk/dx=0,而x=(2+22√)1/2≈2.2(14)x=(2+22)1/2≈2.2(14)這種條件下,k=0.343。由式(13)可知,二次諧波和一次諧波的比值不含有I0項(xiàng),這樣用其作為系統(tǒng)的輸出可以消除光強(qiáng)波動(dòng)等因素帶來的干擾I2fIf=?2kηα0CL(15)Ι2fΙf=-2kηα0CL(15)可見,檢測二次諧波可以獲得氣體濃度信息,一次諧波分量主要由強(qiáng)度調(diào)制引起,幅度正比于光源的平均功率,和氣體濃度沒有關(guān)系。用二次諧波和一次諧波的比值作為系統(tǒng)的輸出,可以消除光源波動(dòng)等共模噪聲。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1dfbld自動(dòng)功率控制和自動(dòng)控制技術(shù)選擇光源時(shí)應(yīng)滿足以下條件,輸出中心頻率同氣體的吸收譜特性相吻合;與光纖的低損耗窗口相適應(yīng);溫度特性良好。甲烷分子具有的4個(gè)基本振動(dòng)所對(duì)應(yīng)的波長分別為3.433μm,6.522μm,3.312μm和7.658μm。這些波段處于石英光纖的高衰減區(qū),光源和探測器都需要低溫制冷,并且結(jié)構(gòu)笨重,使用很不方便,所以不能廣泛應(yīng)用于光纖氣體傳感。甲烷氣體在泛頻帶2υ3和組合頻帶υ2+2υ3的波長分別為1.6μm和1.3μm左右,由于吸收譜寬僅為幾個(gè)納米,一般用于氣體探測的發(fā)光二極管的帶寬為20～100nm,氣體吸收僅占光源光強(qiáng)的幾千分之一,比光源光強(qiáng)的變化還要小,測量的靈敏度很低,并且多縱模吸收的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單縱模吸收的靈敏度以及光源參數(shù)的限制,所以采用峰值波長為1.331μm的DFBLD作為光源。甲烷在1.3μm附近的精細(xì)結(jié)構(gòu)譜圖如圖3所示?？梢?甲烷氣體在1.331μm處有比較強(qiáng)的吸收,且其他氣體,如二氧化碳和水蒸汽等在此處無明顯吸收,不會(huì)產(chǎn)生交叉?zhèn)鞲袉栴}。分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFBLD)是一種內(nèi)含介質(zhì)光柵結(jié)構(gòu),具有優(yōu)良選頻特性的單縱模激光器,本研究所用光源采用高精度的自動(dòng)功率控制(APC)和自動(dòng)溫度控制(ATC)技術(shù),有很高的短期穩(wěn)定度和長期穩(wěn)定度,并具有連續(xù)光、內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制3種工作方式。其光譜寬度Δλ≤1nm,輸出光功率≥1mW,短期穩(wěn)定度(dB/15min)和長期穩(wěn)定度(dB/8h)分別為±0.005和±0.03。光源的原理框圖如圖4所示。光功率控制電路通過激光器組件內(nèi)的激光器和光電探測器形成功率控制環(huán)路,使激光器工作在衰減電路設(shè)定功率的工作點(diǎn)上,達(dá)到自動(dòng)功率控制的目的。當(dāng)處于連續(xù)光方式時(shí),激光器輸出連續(xù)光;當(dāng)處于內(nèi)調(diào)制方式時(shí),由信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生方波信號(hào)調(diào)制激光器,使激光器輸出調(diào)制光;當(dāng)處于外調(diào)制方式時(shí),外部輸入信號(hào)調(diào)制激光器,使激光器輸出調(diào)制光。衰減電路只在連續(xù)光和數(shù)字內(nèi)調(diào)制方式下對(duì)輸出光起衰減作用。DFBLD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)方法具有諸多優(yōu)點(diǎn),是光纖氣體傳感器的首選光源。DFBLD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)整溫度和注入電流來粗調(diào)和精調(diào)其輸出波長。2.2基于激光的一次諧波法諧波檢測甲烷氣體濃度的原理框圖如圖5所示,是一種采用穩(wěn)頻措施的半導(dǎo)體激光器氣體檢測系統(tǒng)。光纖可以將激光器發(fā)出的光傳輸很長的距離,所以在設(shè)計(jì)時(shí)光源及電路處理單元均可安裝于礦井外,氣室置于井內(nèi),避免了由于電子元件而引發(fā)的危險(xiǎn),特別適用于環(huán)境條件惡劣的礦井下瓦斯氣體的在線遙測。氣室設(shè)計(jì)采用小型漸變折射率透鏡,這種透鏡器件和光纖匹配性好,可選擇帶尾纖的漸變折射率透鏡,傳輸光纖和透鏡尾纖可以直接熔接在一起,改善了耦合的穩(wěn)定性問題。系統(tǒng)中采用的DFBLD前后兩面均發(fā)射激光,利用后向激光穿過參考?xì)馐?參考?xì)馐覂?nèi)裝有已知濃度的甲烷氣體,檢測一次諧波作為反饋信號(hào)對(duì)激光器進(jìn)行溫度控制精確鎖定其波長于氣體吸收峰上。DFBLD前向發(fā)出經(jīng)過調(diào)制的光經(jīng)光纖傳輸?shù)綔y量氣室,光能與甲烷氣體發(fā)生相互作用,然后將攜帶有用信息的光信號(hào)傳輸?shù)絇IN光探測器轉(zhuǎn)換成電信號(hào),送入鎖相放大器。檢出兩個(gè)調(diào)制頻率的一次和二次諧波分量。二次諧波分量含有濃度信息,一次諧波分量主要由強(qiáng)度調(diào)制引起,幅度大小正比于光源的平均功率。用二次諧波和一次諧波的比值作為系統(tǒng)的輸出,消除了激光器光強(qiáng)波動(dòng)等共模噪聲和其他同性干擾的影響,單值的表征被測氣體濃度。再經(jīng)過低噪聲、高靈敏度的低通濾波電路,消除背景光的交流漂移和PIN的暗電流,并濾除信號(hào)中的高頻噪聲。經(jīng)過上述處理的反映氣體濃度的信號(hào)被送入A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后,送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、顯示及打印。3傳感器的響應(yīng)特性采用圖5所示的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),氣室長度為50cm,光纖為1km長的9/125μm單模光纖,在1.3～1.5μm波長范圍內(nèi)的傳輸損耗低于1dB/km,選擇低噪聲、高靈敏度的PIN光電二極管作為光電探測器,其波長響應(yīng)范圍在1000～1700nm。調(diào)整電路各參數(shù)可以看在通入氣體前后測量通道的信號(hào)波形如圖6所示。這說明甲烷氣體與光能作用后產(chǎn)生了諧波信號(hào)。當(dāng)氣室中沒有待測氣體時(shí),二次頻輸出信號(hào)為零,基頻輸出一個(gè)固定不變的電壓值,此時(shí)除法器的輸出為零。當(dāng)有氣體逐漸流入氣室時(shí)濃度與信號(hào)幅度的關(guān)系如圖7所示。從圖中可以看出,傳感器的響應(yīng)值與甲烷氣體的濃度近似呈線性關(guān)系。在相同條件下,經(jīng)多次測試,信號(hào)間最大偏差小于2%,其重復(fù)性、穩(wěn)定性能良好。4現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測理論與實(shí)驗(yàn)表明,采用DFBLD調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)甲烷氣體濃度的諧波檢測,靈敏度和穩(wěn)定性明顯