檢測(cè)大氣污染光纖傳感器

1、監(jiān)測(cè)大氣污染光纖傳感器劉非 1132130107航天學(xué)院 電子信息科學(xué)技術(shù)系指導(dǎo)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(jī)磷化物等等。大氣污染監(jiān)測(cè)的任務(wù)就是對(duì)有害物質(zhì)的來(lái)源、分布、數(shù)量、動(dòng)向等進(jìn)行觀察、分析。早期的激光雷達(dá)可以對(duì)污染空氣進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè), 但是由于激光雷達(dá)需要直線地、無(wú)障礙地傳輸, 因此它只能監(jiān)測(cè)高空中污染氣體濃度, 其監(jiān)測(cè)質(zhì)量與大氣能見度有關(guān) 。由于光纖傳感器具有抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全、靈敏度高、便于復(fù)用, 便于成網(wǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)以及廣泛研究, 已出現(xiàn)了多種用于大氣污染監(jiān)測(cè)的光纖傳感器。如監(jiān)測(cè)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(guān)鍵詞：大氣污染 光纖傳感 監(jiān)測(cè)1. 監(jiān)測(cè)大氣污染光纖傳感器的分類監(jiān)測(cè)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(gòu)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(chǎng), 磁場(chǎng)等作用下, 使其傳光特性發(fā)生變化以實(shí)現(xiàn)傳感測(cè)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(yīng)進(jìn)行檢測(cè)。這里, 我們以吸收光譜型光纖氣體傳感器為例來(lái)說(shuō)明其應(yīng)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?；跉怏w的吸收光譜隨物質(zhì)的成分而變的原理、不同氣體分子對(duì)應(yīng)不同的吸收譜線, 測(cè)量某一特定吸收譜線強(qiáng)度, 就可以檢測(cè)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(zhǎng)。 當(dāng)光通過(guò)介質(zhì)時(shí), 由比爾定律可知 2 , 光的吸收系數(shù)與物質(zhì)的濃度、通過(guò)吸收介質(zhì)長(zhǎng)度與透射光強(qiáng)滿足以下關(guān)系I=I0 exp -(cl+l+l+) , 美國(guó)國(guó)家空氣污染控制管理局( N A P CA ) 芝加哥監(jiān)測(cè)站測(cè)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(qiáng);是一定波長(zhǎng)下的單位濃度、單位長(zhǎng)度介質(zhì)的吸收系數(shù);是瑞利散射系數(shù);是米氏散射系數(shù);是氣體密度波動(dòng)造成的吸收系數(shù);l是待測(cè)氣體與光相互作用的長(zhǎng)度;c是待測(cè)氣體濃度。僅從(1)式來(lái)確定待測(cè)氣體的濃度是很困難的。如果用兩個(gè)波長(zhǎng)(1 , 2 )相隔很近(但在吸收系數(shù)上有很大差別)的單色光同時(shí)或相差很短時(shí)間內(nèi)通過(guò)待測(cè)氣體, 則待測(cè)氣體的濃度可以簡(jiǎn)化為 在兩波長(zhǎng)已知下, 若氣體的吸收系數(shù)可以測(cè)量, 就可以根據(jù)輸入輸出光強(qiáng)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(chǎn)生變化, 頻移的數(shù)值由污染分子本身的振動(dòng)頻率決定。各種污染物質(zhì)都有

5、其特征的、相對(duì)于激勵(lì)光的喇曼頻移, 圖2 是幾種污染分子的喇曼頻移咖。測(cè)量散射光的頻移數(shù)值, 就可以識(shí)別出污染氣體的成分。通過(guò)將后向散射的強(qiáng)度和N : 或O: 的喇曼散射強(qiáng)度進(jìn)行比較, 可以確定各個(gè)污染物的絕對(duì)濃度( 因?yàn)? 在大氣中N , 或O: 的濃度是一定的)。除了能測(cè)量絕對(duì)濃度以外, 喇曼散射檢測(cè)污染的優(yōu)點(diǎn)還有: 利用單一波長(zhǎng)的激光器可以測(cè)量出不同污染氣體的存在, 激光波長(zhǎng)可以選擇在大氣透明光譜區(qū)。激光發(fā)射機(jī)和接收系統(tǒng)可以放在一起,便于制成緊湊的, 可移動(dòng)的裝置。這種方法可以遙測(cè)大氣污染, 測(cè)量的深度分辨率很高。其缺點(diǎn)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(cè)量距離, 這就要求采用大功率激光器, 又增加了對(duì)人眼危害的危險(xiǎn)性。2.3激光誘導(dǎo)熒光法 激光誘導(dǎo)熒光法是用特定波長(zhǎng)的激光束,激發(fā)NO2 (或NO) 分子到較高能級(jí),處于高能級(jí)的NO2(或NO3 ) 躍遷回基態(tài)時(shí)會(huì)以光子發(fā)射的形式釋放能量,其光子發(fā)射時(shí)間延遲很短( < 10-5 s) ,稱為熒光,熒光強(qiáng)度與其濃度成正比。光電轉(zhuǎn)換器吸收熒光產(chǎn)生光電流,光電流的大小與NO2 1852 年Stokes 指出,用波長(zhǎng)較短的光可以激發(fā)出波長(zhǎng)較長(zhǎng)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(dǎo)熒光法的理論依據(jù)。實(shí)際上,該方法也適用于檢測(cè)大氣中的其他污染物, 如SO2 等。

7、激光誘導(dǎo)熒光法屬于光學(xué)法,響應(yīng)速度快,靈敏度很高,可實(shí)現(xiàn)很低的檢測(cè)極限。然而由于系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜和精密,造價(jià)很高,大多用于科學(xué)研究,目前還沒(méi)有大規(guī)模商品化。2.4 光纖傳感技術(shù) 光纖傳感(或NO) 的濃度成線性,可由光電強(qiáng)度判定其濃度。器的一般工作原理是:由光源發(fā)出的光,經(jīng)光纖傳感到檢測(cè)點(diǎn),外界被測(cè)參量將對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制(如通過(guò)吸收、散射、反射、熒光、光聲或其他光學(xué)效應(yīng)) ,再經(jīng)光纖傳至光電探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。NO2 特征吸收譜線在石英光纖的低損耗傳輸光波長(zhǎng)范圍內(nèi),基于朗比定律或其他光學(xué)原理可以測(cè)定其濃度。 光纖氣體吸收傳感系統(tǒng)見圖1 。選擇波長(zhǎng)與NO2 氣體分子吸收譜線相匹配的光源,就可以檢測(cè)其濃度

8、。如采用其他光源,調(diào)整單色儀可檢測(cè)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(shù)用于監(jiān)測(cè)NO2 濃度的系統(tǒng)已見報(bào)道。有人利用氬離子激光器和光纖系統(tǒng),根據(jù)NO2 氣體在光波長(zhǎng)496. 5 nm 處的吸收探測(cè)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(cè)NO2濃度3 。光纖傳感技術(shù)已在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域嶄露頭角。光纖傳感器顯著的優(yōu)點(diǎn)是體積小,易撓曲,可對(duì)有毒有害、易燃易爆環(huán)境進(jìn)行多點(diǎn)實(shí)時(shí)遙控,具有較高的選擇性、準(zhǔn)確性和靈敏度。但光纖傳感器還存在一些有待解決的問(wèn)題,如測(cè)量范圍不夠?qū)?受光纖傳輸特性的影響) ,時(shí)間穩(wěn)定性差等。由于光纖傳輸光波長(zhǎng)范圍的限制,

9、使不少物質(zhì)的強(qiáng)吸收特征譜線不能用光纖傳感器檢測(cè),然而可以預(yù)料,性能優(yōu)良的新型光纖傳感器將會(huì)不斷出現(xiàn)。2.5 激光雷達(dá)探測(cè)法 激光雷達(dá)探測(cè)法的基本原理是差分吸收測(cè)量,即利用待測(cè)氣體分子的吸收特性測(cè)量其濃度(見圖2) 。差分吸收測(cè)量激光雷達(dá)向大氣中的同一光路發(fā)射波長(zhǎng)接近的兩束脈沖激光,其中一個(gè)波長(zhǎng)正處于待測(cè)氣體的吸收線上,它被待測(cè)氣體較強(qiáng)地吸收;另一波長(zhǎng)處于待測(cè)氣體吸收線的邊翼或吸收線外,待測(cè)氣體對(duì)它的吸收很小或沒(méi)有吸收。由于這兩束激光波長(zhǎng)相近,其他氣體分子和氣溶膠對(duì)于這兩個(gè)波長(zhǎng)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(qiáng)度的差異僅由待測(cè)氣體分子的吸收所引起,從而根據(jù)兩個(gè)波長(zhǎng)回波強(qiáng)度

10、的差分,可以確定待測(cè)氣體分子的濃度。差分吸收測(cè)量方法利用的是待測(cè)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(zhǎng)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(dá)回波的強(qiáng)度很大,易于接收測(cè)量。這兩個(gè)因素結(jié)合在一起,形成了差分吸收測(cè)量方法的高靈敏度,再加上激光雷達(dá)距離分辨率高、能大范圍實(shí)時(shí)測(cè)量的特點(diǎn),使差分吸收激光雷達(dá)成為測(cè)量氣體分子濃度空間分布的一種有力工具4 。 目前先進(jìn)的測(cè)污激光雷達(dá)一般能測(cè)量污染物的二維和三維空間分布。根據(jù)不同時(shí)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(gè)地區(qū)傳播。激光雷達(dá)技

11、術(shù)比傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)更簡(jiǎn)便易行,在某些情況下還可以提供其他地面測(cè)量技術(shù)無(wú)法得到或耗費(fèi)巨資才能得到的數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)大氣污染測(cè)量系統(tǒng)越來(lái)越多地應(yīng)用于大氣環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)和研究,已成為大范圍快速監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境的新一代高技術(shù)手段,在近地面大氣污染監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了常規(guī)監(jiān)測(cè)手段不可替代的作用。2.6 化學(xué)發(fā)光法 在某些化學(xué)反應(yīng)中生成了激發(fā)態(tài)產(chǎn)物,激發(fā)態(tài)產(chǎn)物以光子形式釋放能量,這就是化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象。通過(guò)測(cè)量化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分析測(cè)定的方法稱為化學(xué)發(fā)光分析法。 化學(xué)發(fā)光法檢測(cè)大氣中NOx 的原理是NO 與O3 反應(yīng)生成激發(fā)態(tài)的NO2,當(dāng)NO2躍遷回基態(tài)時(shí)放出光子,光強(qiáng)與NO 濃度成正比,光電轉(zhuǎn)換器吸收光子產(chǎn)生光電流,

12、光電流強(qiáng)度與NO 濃度成線性,可通過(guò)光電強(qiáng)度判定NO 濃度。為得到NOx的總濃度,該方法要求將待測(cè)氣樣中的NO2 預(yù)先轉(zhuǎn)化為NO5 ,6 。 NOx 可與多種物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)發(fā)光反應(yīng),之所以用O3 是因?yàn)槿菀字苽?。在反?yīng)室中通入待測(cè)NO 氣樣和一定濃度的O3 ,反應(yīng)時(shí)的溫度控制在一定范圍內(nèi),O3 濃度應(yīng)遠(yuǎn)高于NO ,使NO 完全反應(yīng)。在一定工作條件下,NO 和O3 反應(yīng)的發(fā)光強(qiáng)度與其濃度成正比,比例系數(shù)與以下因素有關(guān): 反應(yīng)率,指在反應(yīng)室內(nèi)與O3 發(fā)生反應(yīng)的NO 分子數(shù)與流經(jīng)反應(yīng)室的NO 分子總數(shù)之比; 激發(fā)率,指在反應(yīng)中能夠生成激發(fā)態(tài)NO2的NO 分子數(shù)與反應(yīng)的NO 分子總數(shù)之比; 發(fā)射率,指反

13、應(yīng)生成的處于激發(fā)態(tài)的NO2中能夠發(fā)射光子的分子數(shù)與NO2總分子數(shù)之比。簡(jiǎn)而言之,反應(yīng)室中的NO濃度與化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度成正比。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析,可以得到分精確的NO 濃度與發(fā)光強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系式,測(cè)量發(fā)光強(qiáng)度就可以得到NO 濃度。反應(yīng)產(chǎn)生的光可由光電探測(cè)器件檢測(cè)。由于反應(yīng)生成的光十分弱,光電探測(cè)器件需使用光電倍增管(Photo Multiple Tube ,簡(jiǎn)稱PMT) 。光電倍增管輸出的電信號(hào)經(jīng)計(jì)數(shù)板處理后,以數(shù)據(jù)形式存入電腦,經(jīng)電腦軟件處理就可得到NO 濃度。為檢測(cè)NOx 中NO2 的濃度,必須將氣樣中的NO2 轉(zhuǎn)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(yīng),奪取其

14、中的一個(gè)O 原子,使其還原為NO ,通常用鉬(Mo) 作還原劑。NO2 轉(zhuǎn)化為NO 后,即可用上述方法檢測(cè)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(cè)7 ?；瘜W(xué)發(fā)光法檢測(cè)NOx 的理論和技術(shù)是20 世紀(jì)60 年代研究的熱點(diǎn),當(dāng)時(shí)已有了較成熟的產(chǎn)品。歷經(jīng)幾十年的發(fā)展,目前化學(xué)發(fā)光法NOx 分析儀已經(jīng)十分完善,其檢測(cè)限和靈敏度完全能滿足大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的需要,并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn),還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與在線監(jiān)測(cè)。2監(jiān)測(cè)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(hào)處理部分組成。此光源實(shí)際上是一臺(tái)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(zhǎng)一部分光通過(guò)耦合器耦合到光纖中, 另一部分進(jìn)入校準(zhǔn)盒, 然后進(jìn)入到監(jiān)測(cè)器, 這樣就可以得到輸入光強(qiáng)I01和I02 。沿光纖傳輸?shù)囊徊糠止獾竭_(dá)待測(cè)地點(diǎn)的傳感頭中。在傳感頭中兩波長(zhǎng)的光與待測(cè)氣體相互作用, 氣體對(duì)兩波長(zhǎng)的光有不同的吸收, 經(jīng)過(guò)吸收后的光經(jīng)光纖送到處理中心, 由此輸出待測(cè)氣體濃度信號(hào)。這種監(jiān)測(cè)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(jīng)濟(jì)、實(shí)時(shí)和安全地實(shí)現(xiàn)遙測(cè)。對(duì)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(cè)氣體吸收譜線和光纖對(duì)該譜線的傳輸損耗, 以及光探測(cè)器的光譜響應(yīng)特性,

16、根據(jù)這些關(guān)系, 只要適當(dāng)?shù)剡x擇光源的波長(zhǎng)和光纖、光探測(cè)器等, 就可以構(gòu)成測(cè)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(cè)器的光譜響應(yīng)、發(fā)光器件的光譜及石英光纖的損耗譜之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖3給出了應(yīng)用差分吸收法對(duì)空氣中的NO2 濃度的監(jiān)測(cè)結(jié)果。 3應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景 目前, 吸收光譜型傳感系統(tǒng)應(yīng)用于監(jiān)測(cè)甲烷氣體, 其靈敏度可達(dá)甲烷氣體爆炸的下限 。因此它可用于煤礦井下的瓦斯報(bào)警系統(tǒng), 還可用于石油、化工以及各種情況下對(duì)有害氣體的遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)。此外, 還可利用反射光型、熒光光譜型以及彈光效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)的系統(tǒng)。而且前大多檢測(cè)系統(tǒng)只能檢測(cè)一種氣體成分, 這樣就限制了傳感器的適用性。國(guó)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(guó)在這方面的研究起步較晚, 大多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。隨著光源技術(shù)、光纖技術(shù)及探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展, 設(shè)計(jì)多光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的軟件解調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)在線多點(diǎn)檢測(cè)多種氣體, 將成為監(jiān)測(cè)大氣污染的一個(gè)有效的工具。 當(dāng)今社會(huì)要求通過(guò)環(huán)境監(jiān)測(cè),能夠及時(shí)、全面地獲取與傳遞地區(qū)、國(guó)家乃至全球的環(huán)境狀況,檢測(cè)環(huán)境污染的技術(shù)也應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。通過(guò)對(duì)上述幾種檢測(cè)方法的介紹與分析,可見光電技術(shù)已在大氣NOx 檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用,并具有良好的發(fā)展前景,將對(duì)環(huán)境保護(hù)工作起到巨大的推動(dòng)作用。參考文獻(xiàn): 1 HUMIOI.OpticsRemoteSesin

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