差分吸收式光纤甲烷气体传感器的研究2

差分吸收式光纤甲烷气体传感器的研究2

电子 激光

　　　　　　　　　　　　　　　　　光　　　　　　　JournalofOptoelectronics Laser　Vol.12　No.7　Jul.

文章编号:100520086(2001)0720675204

　第12卷　第7期　2001年7月

2001

差分吸收式光纤甲烷气体传感器的研究

王玉田,郭增军,王莉田

(燕山大学电气工程学院,河北秦皇岛066004)

Ξ

　　　　　　　　摘要:根据甲烷气体的吸收光谱,研究了用。选择两个同

型号LED。建立了气体浓度差分吸收的数学模型,2×10-4。;传感器253:A

StudyonDifferenceAbsorptionOpticalFiberCH4Sensor

WANGYu2tian,GUOZeng2jun,WANGLi2tian

(CollegeofElectricalEngineering,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004,China)

Abstract:BasedontheCH4absorptionspectrum,anovelkindoftransmission2typeopticalfiberCH4sen2sorwiththelow2costilluminantofLEDispresentedinthispaper.TwosametypesofLEDilluminantareselectedasdifferenceabsorptionsignals,andautomaticalternatechoppingisrealizedbyilluminantdriver.Themathematicalmodelofgasconcentrationdifferenceabsorptionisbuiltup.Thefinalmeasure2mentresultsofCH4concentrationarealsoshown.Ourexperimenthasprovedthatthemeasurementsen2sibilityofthissensoris2×10-4.

Keywords:opticalfiber;CH4;differencephoto2absorption;sensors

1　引　言

沼气和　　甲烷(CH4)是易燃易爆气体,是天然气、

多种液体燃料的主要成分,是重要的工业原料和日常生活的燃气,在大气中爆炸的下限为5.3%,上限为15.0%。同时也被认为是温室效应最主要的气体之一,据报道CH4吸收红外线能力是CO2的15～30倍,占据整个温室贡献量的15%。空气中CH4的浓度每年大约以1%的速度增长。因此及时检测CH4气体的产生源、泄漏源及浓度,对工矿安全运行、人身安全及环境保护有着十分重要的作用。科技工作者为此做出了不懈努力,研制出了许多种CH4气体传感器[1-6]。

　　近几年光纤传感技术发展迅速,它具有灵敏度高、响应快、动态范围大、不受电磁干扰、耐腐蚀、体积小、可以实现信号的长距离传输和现场实时遥测、传

感头可以放入恶劣环境中(如有毒,高温气体)等,因

此光纤CH4传感器的研究倍受人们的关注。用半导体激光及1.6Λm发光二极管作光源研制的光纤CH4传感器[1,3]可达较高灵敏度,但成本高,结构复杂,难以实现普及。用价廉的1.3ΛmLED作光源研究的

-4[6]

。本文采用两CH4光纤传感器灵敏度可达13×10

个1.3ΛmLED作光源的CH4光纤传感器实现了-4

CH4气体的差分测量,灵敏度为2×10。

2　差分吸收光纤传感机理

　　光波通过介质时,部分被介质吸收和散射,余下的按原来传播的方向继续前进。由Beer定律可知,光

的吸收系数、物质的浓度、通过吸收介质的长度与透射光强满足

(1)　　　　I=I0exp[-(ΑcL+Β+ΧL+ )]式中,I、I0分别是透射和入射光强;Α是一定波长下

Ξ收稿日期:2001201202　修订日期:2001202228　3

基金项目:河北省自然科学基金资助项目(600227)

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的单位浓度、单位长度介质的吸收系数;Β是瑞利散射系数;Χ是米氏散射系数; 是气体密度波动造成的吸收系数;L是待测气体与光相互作用的长度;c是待测气体的浓度。当用光纤传感系统检测气体时,(1)式还应包含比例系数K,则可改写为

(2)　　　　I=KI0exp[-(ΑcL+ΒL+ΧL+ )]

仅从(2)式来确定待测气体的浓度c是困难的。因为 反映平均数,它随时间变化,且是随机量。如果用2个波长(Κ1、Κ2)相隔极近(别),则有:

Κ　　　　I(Κ1))I0[1)L+

(3)　　　　Β(Κ1)LL+Κ1)]}

(Κ　　　　I(Κ2)=KΚ2)I0(Κ2)exp{-[Α2)cL+

(4)　　　　Β(Κ2)L+Χ(Κ2)L+ (Κ2)]}

　　由式(3)和式(4),待测气体的浓度可以表示为

ln-ln-c=(Κ[Α(ΚK(ΚI(Κ1)-Α2)]L2)I0(Κ2)2)

[Β(Κ1)-Β(Κ2)]L-[Χ(Κ1)-Χ(Κ2)]L-(5)　　　　[ (Κ1)- (Κ2)]}由于Κ1、Κ2相差很小,并且光是几乎同时接近和通过待测气体的,可以认为Β(Κ1)≈Β(Κ2),Χ(Κ1)≈Χ(Κ2), (Κ1)≈ (Κ2),这样(5)式就可以化简为

(6)　　c=ln(Κ[Α(ΚK(Κ1)-Α2)L]2)I0(Κ2)I(Κ1)

适当调节光学系统使

(7)　　　　K(Κ1)I0(Κ1)=K(Κ2)I0(Κ2)

(6)式又可简化为

(8)　　　　c=ln(Κ[Α(ΚI(Κ1)-Α2)]L1)

　　由光学上的相近条件,有:

(Κ　　　　c[Α(Κ1)-Α2)]Lν1

　　实际应用中,波长Κ1的光对应检测气体的吸收谱线,波长Κ2的光不被检测气体吸收(即参考波长),在测试过程中为空值,因此有I(Κ1)<I(Κ2),I(Κ2) I(Κ1)>1和I(Κ1) I(Κ2)<1。对ln[I(Κ2) I(Κ1)]进行泰勒展开:(9)≈ln()=-ln[1+(()-1)]

IΚIΚI(Κ122)　　所以气体浓度为

(10)　　　　c=()

(ΚΑΚI(Κ1-Α2)2)

在波长Κ1、Κ2下,若气体的吸收系数Α1、Α2可以测量,则气体浓度就可以从I(Κ2)-I(Κ1)和I(Κ2)的测量中求出。这种方式称为差分吸收式。

光电子 激光　　2001年　第12卷　

3　CH4气体的吸收谱带

　　CH4气体的本征吸收谱在Κ.43Λ1=32=m,Κ6.78Λ.31Λ.66Λm、Κ

3=3m和Κ4=7m处,然而工作在室温下的LED仅在2Λm用,。v2v33皆存在,分别为1.6Λm。

图1　CH4气体的吸收谱图

Fig.1　AbsorptionspectrumofCH4

　　图

1表明,CH4气体在1.6Λm处的吸收强度远大于在1.3Λm处的吸收强度。由CH4气体在1.3Λm处的精细结构谱图可知,在1.331Λm处的Q支带吸收线是相当强的,如图2所示。因此,我们可以选1.331Λm的LED作为激发光源,检测CH4气体的浓度。

图2　CH4气体Q支带谱图

Fig.2　Q

bandspectrumofCH4

4　差分吸收光纤传感器及其系统

　　差分吸收方法检测气体浓度的框图如图3所示。图中,F1和F2分别为干涉滤光片,A为可变消光片,用于实现k(Κ1)I0(Κ1)=K(Κ2)I0(Κ2)。LED发出的光

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　第7期　　王玉田等:差分吸收式光纤甲烷气体传感器的研究

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光源,一个作为主光源LED,光波长为Κ1,另一个作为参考光源LED,光波长为Κ2,它们用同一驱动器驱动,自动实现了Κ1、2的自动交替斩波,使通过气室的Κ

检测光强增强,同时也避免了复杂的光路系统而成为全光纤结构。选取Κ.33Λ.27Λ1=1,Κ2=1m。Κ2的2,NH3,N2O等)的,4经耦合器与传输光纤耦合进入探测气室,经过气室由耦合器通过光纤到达分束器,将光分成两束,两束光交替地被100Hz的斩波器斩光,分别通过中心频率为Κ。两束光汇集照射在光电二极1、Κ2的干涉滤光片管(PIN)上,使之转换为电信号。通过调制同步检测电路及单片机控制、数据采集、处理、存储与计算机通讯,显示测量数据。开始检测时,使气室中被测气体的浓度为零(或气室被抽成真空),调整光路中的可调消光器A

使两束光强相等,从而使式(7)成立。大器的输出直接给出合适的I(Κ。2)-I(Κ15CH4的浓度为零时,响应I(Κ2)-I

(Κ1)

=0,但当CH4的浓度分别为0.5%和5.0%时,锁相放大器的输出信号与气室中甲烷气体的浓度成比例。差分信号I(Κ2)-I(Κ1)可由 …… 此处隐藏：3773字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……