全光纖傳感技術(shù)在甲烷氣體檢測中的應(yīng)用

全光纖傳感技術(shù)在甲烷氣體檢測中的應(yīng)用

甲醇是各種燃料的主要成分，如礦山磚瓦和天然氣。對礦山葉片氣體的可靠性、效率和實時監(jiān)測一直是礦業(yè)研究和生產(chǎn)的重點，也是石油、化工和其他行業(yè)安全生產(chǎn)的保障。隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展及科技的進步,我國許多城市使用天然氣作為生活用氣,對于甲烷氣體泄漏的檢測就顯得更為重要。目前測量甲烷濃度的方法和儀器有很多種,但都存在著靈敏度低、成本高、穩(wěn)定性差等缺點。根據(jù)這種現(xiàn)狀,本文提出了一種基于光譜吸收原理的高靈敏度全光纖甲烷濃度測量系統(tǒng)。光纖氣體傳感器具有常規(guī)氣體傳感器無法比擬的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)靈活、靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)點,因此近幾年來備受關(guān)注?；诜至⒃墓饴废到y(tǒng)和機械調(diào)制方式,由于其本身具有很大的不穩(wěn)定性,限制了系統(tǒng)可達到的極限靈敏度。所以本文研究了一種檢測甲烷氣體的全光纖傳感方法,根據(jù)光譜吸收原理,采用LED寬帶光源,通過光纖光柵和壓電陶瓷對其進行波長調(diào)制,獲得窄帶出射光,檢測二次諧波,實現(xiàn)甲烷氣體濃度的高靈敏度測量。1基本原則1.1介質(zhì)吸收系數(shù)c當(dāng)一束光強為I0的平行光射向充有甲烷和空氣的混合氣體的氣室,如圖1所示,如果光源光譜覆蓋一個或多個氣體吸收線,光通過氣體時發(fā)生衰減,根據(jù)Beer-Lambert定律,輸出光強I(λ)與輸入光強I0(λ)和氣體濃度之間的關(guān)系為I(λ)=I0(λexp[?α(λ)lc](1)Ι(λ)=Ι0(λexp[-α(λ)lc](1)式中:α(λ)是一定波長下單位濃度,單位長度的介質(zhì)吸收系數(shù);l是吸收路徑的長度;c是氣體濃度。如果l與α(λ)已知,那么通過檢測I(λ)和I0(λ)就可以測得甲烷氣體的濃度。1.2光纖光柵調(diào)制基本原理由于寬帶光源LED的譜線寬度覆蓋甲烷的多個吸收線,而吸收譜線非常的窄,因而經(jīng)過氣室之后引起的光功率變化不明顯,靈敏度不會很高。而DFBLD雖然是氣體傳感用比較理想的光源,但由于其價格昂貴,限制了它的應(yīng)用。因而通過光纖光柵和壓電陶瓷對LED進行波長調(diào)制,獲得與吸收譜線相適應(yīng)的窄帶出射光以提高靈敏度。光纖光柵是光纖芯區(qū)折射率受永久性、周期性調(diào)制的一種特種光纖,這種特點,使之在纖內(nèi)形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器。各種波長的光通過光纖光柵時,無插入損耗,透射率極大,只有那些滿足Bragg條件的波長的光被強烈地反射,即透射率極小。利用耦合模理論對周期性光柵進行分析,可以推導(dǎo)出光纖光柵的Bragg波長公式:λB=2neffΛ(2)λB=2neffΛ(2)neff為等效折射率,Λ為光柵周期。Bragg反射半值帶寬FWHM為Δλ=λB(ΛL)2+(Δnn0)2????????????√(3)Δλ=λB(ΛL)2+(Δnn0)2(3)L為光纖光柵的總長度,Δn為折射率起伏最大值。在λB處的反射率Rmax=tanh2[π?Δn?LλB](4)Rmax=tanh2[π?Δn?LλB](4)理論上可以證明經(jīng)光纖光柵的反射光在中心波長附近近似服從Gauss分布.因此我們用以下的Gauss方程來描述:P(λ)≈P0exp[?4(λ?λB)γ12ln2](5)Ρ(λ)≈Ρ0exp[-4(λ-λB)γ12ln2](5)P(λ)為在波長λ處的反射光譜密度,λB為Bragg中心波長,γ1為反射譜帶寬(FWHM),實際的傳感系統(tǒng)中使用的光柵參數(shù)如下:γ1=0.2nm,光柵總長L=2cm,最大反射率系數(shù)R>90%。光纖光柵與光源和耦合器的連接如圖(2)所示。采用LED作為光源,利用光纖光柵的反射濾光作用得到窄帶的出射光,它的中心波長是Bragg波長。利用壓電陶瓷在電場作用下,尺寸發(fā)生變化的特性實現(xiàn)對Bragg波長的調(diào)制,將光纖光柵粘在壓電陶瓷(PZT)上,改變PZT兩端的電壓,PZT就會帶動光纖光柵伸縮,從而改變Bragg波長。LED受恒流驅(qū)動,維持不變的功率輸出。對PZT施加交變電壓,它將帶動光纖光柵周期性伸縮。Bragg波長可表示為:λB=λ0+λAcosωt(6)λB=λ0+λAcosωt(6)λ0為中心波長,對應(yīng)于甲烷氣體的吸收峰,設(shè)ω為PZT調(diào)制頻率,λA為調(diào)制幅度,λA=λ2-λ1。甲烷分子在1.331μm處的吸收系數(shù)如圖3所示,可見在對PZT施加交變電壓的同時,氣體的吸收系數(shù)將成周期性變化。這種調(diào)制方式使光源波長掃過吸收線的全部,故稱為全波長調(diào)制。經(jīng)過光纖光柵反射后,入射到氣室的光譜密度為:P(λ)≈P0exp[?4(λ?λ0?λAcosωt)2γ12ln2](7)Ρ(λ)≈Ρ0exp[-4(λ-λ0-λAcosωt)2γ12ln2](7)如果考慮到入射光的譜分布和氣體分子的吸收線型以及整個光路的干擾和不穩(wěn)定因素,設(shè)總的耦合系數(shù)為η,則Beer-Lambert定律應(yīng)改寫為:I=η∫λNλMP(λ)e?α(λ)lcdλ(8)Ι=η∫λΜλΝΡ(λ)e-α(λ)lcdλ(8)式中λM和λN為有效波長范圍,理論上應(yīng)分別取0和∞,但由于式所描述的Gauss曲線在波長偏離中心波長較大時,光譜密度迅速下降,因此只取優(yōu)化值。當(dāng)氣體壓力接近一個大氣壓時,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分子的吸收譜線形:α(λ)α01+(λ?λgγ2/2)2(9)α(λ)α01+(λ-λgγ2/2)2(9)α(λ)表示對應(yīng)波長λ處的吸收系數(shù),λg為對應(yīng)吸收峰,γ2為帶阻尼的電偶極振子的衰減速率。利用近似公式e-αlc≈1-αcl得I=ηP0∫λNλMexp(?4(λ?λ0?λAcosωt)2γ12ln2)*[1?α0lc1+(λ?λgγ2)2]dλ(10)Ι=ηΡ0∫λΜλΝexp(-4(λ-λ0-λAcosωt)2γ12ln2)*[1-α0lc1+(λ-λgγ2)2]dλ(10)調(diào)節(jié)PZT的直流偏置電壓,使得光纖光柵中心波長與氣體吸收峰對準(zhǔn)λ0=λg,取優(yōu)化近似值:λM=λ0+λAcosωt?1.5γ,λN=λ0+λAcosωt+1.5γλΜ=λ0+λAcosωt-1.5γ,λΝ=λ0+λAcosωt+1.5γ并進行積分代換令λ′=λ-λ0-λAcosωt,則I=ηP0?ηP0α0lc∫f(λ,?)dλ(11)Ι=ηΡ0-ηΡ0α0lc∫f(λ,?)dλ(11)其中?=ωt,f(λ,?)=exp(?4λ2γ12ln2)?11+(λ+λAcos?γ2/2)2(12)f(λ,?)=exp(-4λ2γ12ln2)?11+(λ+λAcos?γ2/2)2(12)式(12)的積分項包括了基頻為ω的各次諧波分量?？梢宰C明式(12)所包含的頻率為ω的基波分量為零,即∫π?π∫1.5γ?1.5γf(λ,?)cos?dλd?=0(13?1)∫-ππ∫-1.5γ1.5γf(λ,?)cos?dλd?=0(13-1)又f(λ,?)為關(guān)于?的偶函數(shù),所以∫π?π∫1.5γ?1.5γf(λ,?)sin?dλd?=0(13?2)∫-ππ∫-1.5γ1.5γf(λ,?)sin?dλd?=0(13-2)即式中不包含一次諧波又因f(λ,?)sin?為關(guān)于?的奇函數(shù),所以∫π?π∫1.5γ?1.5γf(λ,?)sin2?dλd?=0(14?1)∫-ππ∫-1.5γ1.5γf(λ,?)sin2?dλd?=0(14-1)因此探測器輸出信號的二次諧波分量幅值為I(2ω)=?1π?ηP0α0lc∫π?π∫1.5γ?1.5γf(λ,?)cos?dλd?(14?2)Ι(2ω)=-1π?ηΡ0α0lc∫-ππ∫-1.5γ1.5γf(λ,?)cos?dλd?(14-2)式中的二重積分項為常數(shù),可以利用計算機通過數(shù)值積分得到數(shù)值解,因此二次諧波量與氣體濃度成正比。上式仍然包含光源光強因子,為了消除其影響,可以同時檢測光纖光柵的透射光強IR=P0?∫∞0P(λ)dλ=rP0(15)ΙR=Ρ0-∫0∞Ρ(λ)dλ=rΡ0(15)用I(2ω)與IR相除就可以消除光源的影響并提高全波長調(diào)制方式的靈敏度。2光纖耦合器氣室設(shè)計如圖4所示,系統(tǒng)由三部分組成。光源產(chǎn)生部分,氣室以及信號產(chǎn)生和處理部分。光源產(chǎn)生部分,包括寬帶光源LED、單模雙向光纖耦合器、光纖光柵及PZT。甲烷分子具有四個基本振動,相對應(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2ν3和組合頻帶ν2+2ν3的波長分別為1.6μm和1.3μm左右,由于波長在1.6μm光源很難見到,所以采用中心波長為1.31μm的LED作為光源,光譜覆蓋很寬。當(dāng)需要進一步提高檢測靈敏度,因而必須增大出射光強時,應(yīng)采用光放大器,LED本身帶有尾纖輸出光纖耦合器為2×2雙向傳輸,傳輸比為50%:50%,因此窄帶光信號耦合到氣室時,強度將降為原來的四分之一。經(jīng)過光柵反射從耦合器到氣室是窄帶的中心波長為1.331μm并且波長連續(xù)可調(diào)的出射光。系統(tǒng)中,光纖僅作為傳光介質(zhì),氣室是敏感元件。它由輸入/輸出透鏡組成。從光纖中出射的光,經(jīng)輸入透鏡準(zhǔn)直變?yōu)槠叫泄?穿過氣室,由另一透鏡耦合到輸出光纖中。氣室設(shè)計的主要原則:吸收光程盡可能大,氣室中光路的耦合損耗小,耦合狀態(tài)穩(wěn)定。如圖1(a)所示氣室結(jié)構(gòu),入射光先要經(jīng)過透鏡準(zhǔn)直,然后通過氣體路徑,經(jīng)過聚焦透鏡,再回到單模光纖,因為光路不可能絕對準(zhǔn)直,單模光纖的數(shù)值孔徑有一定的范圍,光信號在這里要損失一部分,并且給系統(tǒng)帶來干擾。由于涉及到光纖和分立光學(xué)元件的耦合問題,準(zhǔn)直復(fù)雜,溫度穩(wěn)定性、抗震性能也不是最佳。氣室設(shè)計的選擇是應(yīng)用小型漸變折射率透鏡如圖1(b)所示,這種透鏡器件和光纖匹配性好,可選擇帶尾纖的變折射率透鏡,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。傳感系統(tǒng)的信號產(chǎn)生和處理部分,由電氣元件和電子電路組成,主要包括:LED恒流驅(qū)動,振蕩源,PZT的較高電壓驅(qū)動和控制電路,光電探測器PIN管及微弱信號處理電路,以及計算機采集與處理單元等。從光纖光柵反射的與甲烷氣體吸收峰一致的經(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傳輸?shù)絇IN光探測器轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)微弱信號處理電路檢測到含有濃度信息的二次諧波分量,與光纖光柵的透射光信號相除,消除了光源的影響并提高了全波長調(diào)制方式的靈敏度3傳感器的響應(yīng)特性采用圖3所示的系統(tǒng)進行實驗,氣室長度為50cm,采用100m長的石英光纖,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。采用不同濃度的甲烷與氮氣混合氣體進行實驗,數(shù)據(jù)如表(1)所示。其中一欄為氣體通過氣室時,甲烷氣體的相對吸收率,即Ir=(I