光譜吸收型光纖氣體傳感器的研究

光譜吸收型光纖氣體傳感器的研究

0氣體檢測系統(tǒng)在工業(yè)和環(huán)境檢測領(lǐng)域，通常需要檢測和控制不同氣體的成分、體積份額和其他參數(shù)。傳統(tǒng)的光纖氣體傳感器主要針對某一種氣體進(jìn)行檢測,不能滿足對多種氣體的同時檢測。本文研究了一種新型的光纖氣體傳感器,可在線檢測多種氣體,具有很好的應(yīng)用前景。同時,它具有光纖傳感器所具有的一切優(yōu)點:本質(zhì)安全、抗電磁干擾、靈敏度高、響應(yīng)速度快,特別是傳感頭不帶電、本質(zhì)防爆的特點,可適用于易燃、易爆氣體的工業(yè)在線檢測。1氣體體積分?jǐn)?shù)的測量每一種氣體都有固有的吸收光譜。當(dāng)光源的發(fā)射譜與氣體的吸收譜相吻合時,就會發(fā)生共振吸收,其吸收強度與該氣體的體積分?jǐn)?shù)有關(guān),通過測量光譜的吸收強度就可測量氣體的體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)一束光強為I0的輸入平行光通過待測氣體時,如果光源光譜覆蓋一個或多個氣體的吸收譜,則光通過氣體時發(fā)生衰減。根據(jù)Beer-Lambert定律,出射光強I與入射光強I0和氣體的體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系為I=I0exp[-αCL],(1)式中α為氣體吸收系數(shù);L為吸收路徑的長度,m;C為氣體的體積分?jǐn)?shù)。對式(1)進(jìn)行變換C=ln(I0/I)/(αL).(2)從式(2)可知,如果L,α已知,那么,通過檢測I,I0就可以得到乙炔氣體的體積分?jǐn)?shù)C。氣體的吸收譜寬僅為1個或幾個納米,一般用于氣體探測的發(fā)光二極管的帶寬約為50nm,氣體吸收僅占光源光強的幾千分之一,比光源光強變化的噪聲還要小,測量靈敏度不高。本文采用價廉的LED做光源,利用法布里-珀羅腔對輸入的非單色光進(jìn)行波長挑選,從而提高單色性,實現(xiàn)了氣體的單譜線吸收。調(diào)制加在法布里-珀羅腔上的驅(qū)動電壓,使得從法布里-珀羅腔出射的單色光的波長與不同氣體的吸收譜線相吻合,就可以完成對多種氣體的體積分?jǐn)?shù)的測量。用三角波信號對法布里-珀羅腔進(jìn)行調(diào)制,輸出光的頻率受到相應(yīng)調(diào)制,調(diào)制光通過氣室,由于氣體的吸收效應(yīng),頻率調(diào)制轉(zhuǎn)換為強度調(diào)制。若法布里-珀羅腔的中心透射波長和吸收峰的中心波長對準(zhǔn),通過參考?xì)馐业妮敵龉鈱⒅饕ㄕ{(diào)制頻率的二次諧波,一次諧波近似為零,可忽略不計。若有偏差,則會產(chǎn)生一次諧波,測量精度就會大大降低,本系統(tǒng)中引入n路參考路保證法布里-珀羅腔的中心透射波長始終鎖定在吸收線的中心波長上,系統(tǒng)的輸出光主要是二次諧波分量,且二次諧波分量正比于氣體的體積分?jǐn)?shù)。檢測該值就可以精確測量待測氣體的體積分?jǐn)?shù)。2法布里-賓羅腔的選頻信號+頻率調(diào)制基于可調(diào)諧法布里-珀羅腔的光纖傳感系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。如圖,光源LED發(fā)出的光通過光耦合器到達(dá)法布里-珀羅腔,經(jīng)過驅(qū)動電路調(diào)制后,出射光進(jìn)入光分路器后變?yōu)閚+1路:最左邊的一路為測量路,光信號通過氣室,光能與氣體發(fā)生作用,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)過一系列處理后,送入計算機并顯示,該信號表征了氣體的體積分?jǐn)?shù);右邊的n路為參考路,通過n個濾光器檢波(每個濾光器檢波的中心波長對應(yīng)一種氣體的吸收譜線),然后,分別傳輸?shù)絇IN光探測器轉(zhuǎn)換成電信號,選擇其中的一路進(jìn)行進(jìn)入計算機,該信號作為反饋信號通過計算機軟件編程設(shè)計完成對法布里-珀羅腔的選頻特性和溫度漂移的控制。由圖1可以看到:加在法布里-珀羅腔上的驅(qū)動電壓由直流分量和交流分量組成:直流分量由計算機提供,保證法布里-珀羅腔檢波的中心波長始終處于待測氣體的吸收峰上;交流分量由三角波發(fā)生器提供,完成對法布里-珀羅腔輸出光的頻率調(diào)制,調(diào)制光通過氣室,由于氣體的吸收效應(yīng),頻率調(diào)制轉(zhuǎn)換為強度調(diào)制,輸出光主要為調(diào)制頻率的二次諧波分量。調(diào)節(jié)三角波信號幅值到合適的值時,二次諧波信號的值最大,此時,檢測二次諧波信號的值,就檢測出了氣體的體積分?jǐn)?shù),且最大限度地提高了測量精度。n路參考路有2個作用:第一,進(jìn)行選頻,即需要測量某一種氣體,就把從法布里-珀羅腔出射光調(diào)制到相應(yīng)的頻率;第二,當(dāng)法布里-珀羅腔檢波的中心波長發(fā)生溫度漂移時,從計算機上輸出一個信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換強行疊加在法布里-珀羅腔上,起到反饋控制的作用,就能夠使法布里-珀羅腔檢波的中心波長始終維持在氣體的吸收譜線上。3傳感器的響應(yīng)特性采用圖1所示的系統(tǒng)進(jìn)行實驗,在這里選擇測量乙炔氣體并描繪出氣體的體積分?jǐn)?shù)和電壓信號值的關(guān)系曲線,其他氣體的測量和標(biāo)定方法相同。氣室長度為50cm,光纖為1km長的9/125μm單模光纖,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。用注射器向氣室分別注入配比不同體積分?jǐn)?shù)的乙炔氣體,分別測得測量路在計算機中顯示的電壓值,繪出氣體的體積分?jǐn)?shù)和電壓信號值的關(guān)系曲線,如圖2所示。由圖2可以看出:傳感器的響應(yīng)值與乙炔氣體的體積分?jǐn)?shù)近似成線性關(guān)系。在相同實驗條件下,經(jīng)多次測試,信號間最大偏差小于2%,其重復(fù)性、穩(wěn)定性良好。4諧波檢測算法的優(yōu)勢理論與實驗表明:法布里-珀羅腔光纖氣體的體積分?jǐn)?shù)傳感系統(tǒng)可用于對多種氣體的體積分?jǐn)?shù)的在線檢測。傳感器對環(huán)境光量變化、暗電流噪聲、溫度漂移的干擾均有一定的抑制作用。由于不同氣體的吸收譜線的譜間隔不同,位置也不同,因此,不會產(chǎn)生交叉靈敏度問題。該系統(tǒng)通過軟件控制實現(xiàn)了對法