全光纖傳感技術(shù)在甲烷氣體檢測(cè)中的應(yīng)用

全光纖傳感技術(shù)在甲烷氣體檢測(cè)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(duì)礦山葉片氣體的可靠性、效率和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一直是礦業(yè)研究和生產(chǎn)的重點(diǎn)，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(jìn)步,我國(guó)許多城市使用天然氣作為生活用氣,對(duì)于甲烷氣體泄漏的檢測(cè)就顯得更為重要。目前測(cè)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(diǎn)。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(cè)量系統(tǒng)。光纖氣體傳感器具有常規(guī)氣體傳感器無(wú)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(diǎn),因此近幾年來(lái)備受關(guān)注。基于分立元件的光路系統(tǒng)和機(jī)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(dá)到的極限靈敏度。所以本文研究了一種檢測(cè)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(guò)光纖光柵和壓電陶瓷對(duì)其進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制,獲得窄帶出射光,檢測(cè)二次諧波,實(shí)現(xiàn)甲烷氣體濃度的高靈敏度測(cè)量。1基本原則1.1介質(zhì)吸收系數(shù)c當(dāng)一束光強(qiáng)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(gè)或多個(gè)氣體吸收線,光通過(guò)氣體時(shí)發(fā)生衰減,根據(jù)Beer-Lambert定律,輸出光強(qiáng)I(λ)與輸入光強(qiáng)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(zhǎng)下單位濃度,單位長(zhǎng)度的介質(zhì)吸收系數(shù);l是吸收路徑的長(zhǎng)度;c是氣體濃度。如果l與α(λ)已知,那么通過(guò)檢測(cè)I(λ)和I0(λ)就可以測(cè)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(gè)吸收線,而吸收譜線非常的窄,因而經(jīng)過(guò)氣室之后引起的光功率變化不明顯,靈敏度不會(huì)很高。而DFBLD雖然是氣體傳感用比較理想的光源,但由于其價(jià)格昂貴,限制了它的應(yīng)用。因而通過(guò)光纖光柵和壓電陶瓷對(duì)LED進(jìn)行波長(zhǎng)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(diǎn),使之在纖內(nèi)形成一個(gè)窄帶的(透射或反射)濾波器。各種波長(zhǎng)的光通過(guò)光纖光柵時(shí),無(wú)插入損耗,透射率極大,只有那些滿足Bragg條件的波長(zhǎng)的光被強(qiáng)烈地反射,即透射率極小。利用耦合模理論對(duì)周期性光柵進(jìn)行分析,可以推導(dǎo)出光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)附近近似服從Gauss分布.因此我們用以下的Gauss方程來(lái)描述:P(λ)≈P0exp[?4(λ?λB)γ12ln2](5)Ρ(λ)≈Ρ0exp[-4(λ-λB)γ12ln2](5)P(λ)為在波長(zhǎng)λ處的反射光譜密度,λB為Bragg中心波長(zhǎng),γ1為反射譜帶寬(FWHM),實(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)是Bragg波長(zhǎng)。利用壓電陶瓷在電場(chǎng)作用下,尺寸發(fā)生變化的特性實(shí)現(xiàn)對(duì)Bragg波長(zhǎng)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(huì)帶動(dòng)光纖光柵伸縮,從而改變Bragg波長(zhǎng)。LED受恒流驅(qū)動(dòng),維持不變的功率輸出。對(duì)PZT施加交變電壓,它將帶動(dòng)光纖光柵周期性伸縮。Bragg波長(zhǎng)可表示為:λB=λ0+λAcosωt(6)λB=λ0+λAcosωt(6)λ0為中心波長(zhǎng),對(duì)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(jiàn)在對(duì)PZT施加交變電壓的同時(shí),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(zhǎng)掃過(guò)吸收線的全部,故稱為全波長(zhǎng)調(diào)制。經(jīng)過(guò)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(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)偏離中心波長(zhǎng)較大時(shí),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(gè)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分子的吸收譜線形:α(λ)α01+(λ?λgγ2/2)2(9)α(λ)α01+(λ-λgγ2/2)2(9)α(λ)表示對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)λ處的吸收系數(shù),λg為對(duì)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(zhǎng)與氣體吸收峰對(duì)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(jìn)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(xiàng)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(cè)器輸出信號(hào)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(xiàng)為常數(shù),可以利用計(jì)算機(jī)通過(guò)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(qiáng)因子,為了消除其影響,可以同時(shí)檢測(cè)光纖光柵的透射光強(qiáng)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(zhǎng)調(diào)制方式的靈敏度。2光纖耦合器氣室設(shè)計(jì)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(hào)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(gè)基本振動(dòng),相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)分別為1.6μm和1.3μm左右,由于波長(zhǎng)在1.6μm光源很難見(jiàn)到,所以采用中心波長(zhǎng)為1.31μm的LED作為光源,光譜覆蓋很寬。當(dāng)需要進(jìn)一步提高檢測(cè)靈敏度,因而必須增大出射光強(qiáng)時(shí),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(hào)耦合到氣室時(shí),強(qiáng)度將降為原來(lái)的四分之一。經(jīng)過(guò)光柵反射從耦合器到氣室是窄帶的中心波長(zhǎng)為1.331μm并且波長(zhǎng)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(guò)氣室,由另一透鏡耦合到輸出光纖中。氣室設(shè)計(jì)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(guò)透鏡準(zhǔn)直,然后通過(guò)氣體路徑,經(jīng)過(guò)聚焦透鏡,再回到單模光纖,因?yàn)楣饴凡豢赡芙^對(duì)準(zhǔn)直,單模光纖的數(shù)值孔徑有一定的范圍,光信號(hào)在這里要損失一部分,并且給系統(tǒng)帶來(lái)干擾。由于涉及到光纖和分立光學(xué)元件的耦合問(wèn)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(jì)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(wèn)題。傳感系統(tǒng)的信號(hào)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(dòng),振蕩源,PZT的較高電壓驅(qū)動(dòng)和控制電路,光電探測(cè)器PIN管及微弱信號(hào)處理電路,以及計(jì)算機(jī)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(guò)調(diào)制的光,經(jīng)光纖傳輸?shù)綔y(cè)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(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào),經(jīng)微弱信號(hào)處理電路檢測(cè)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(hào)相除,消除了光源的影響并提高了全波長(zhǎng)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(jìn)行實(shí)驗(yàn),氣室長(zhǎng)度為50cm,采用100m長(zhǎng)的石英光纖,在1.3～1.5μm波長(zhǎng)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(cè)器,其波長(zhǎng)響應(yīng)范圍在1000～1700nm。采用不同濃度的甲烷與氮?dú)饣旌蠚怏w進(jìn)行實(shí)驗(yàn),數(shù)據(jù)如表(1)所示。其中一欄為氣體通過(guò)氣室時(shí),甲烷氣體的相對(duì)吸收率,即Ir=(I