紅外吸收式光纖甲烷氣體傳感測試方法

紅外吸收式光纖甲烷氣體傳感測試方法

甲醇是易分解氣體，是煤礦磚瓦和民用天然氣的主要成分。天然氣汽車的氣候成分之一是重要的工業(yè)材料和稻田的副產(chǎn)品。在大氣中爆炸范圍為5.3%～15.0%,煤礦中超過1%將停止生產(chǎn),超過1.5%將停止一切設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn);另外,還是引起溫室效應(yīng)的主要成分之一。甲烷濃度超標(biāo)將導(dǎo)致相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)的安全事故,影響人類的正常生活。及時、準(zhǔn)確、可靠、高效地檢測甲烷氣體的產(chǎn)生源、泄漏源及濃度,對于工礦安全運(yùn)行、人身安全和環(huán)境保護(hù)等都是必要的。研究簡單可靠的甲烷氣體檢測系統(tǒng)是實際而重要的課題。傳統(tǒng)的接觸燃燒式和半導(dǎo)體吸收式甲烷傳感器易受其他氣體的干擾;干涉法則會受到氣體濕度和壓強(qiáng)的影響;電化學(xué)法的壽命最短,只有1～2年;紅外光譜法是檢測氣體最精確的方法,不同分子的固有震動頻率不同,反映在光譜吸收上就是對應(yīng)不同的特征吸收波長,如同人的指紋系統(tǒng)一樣,具有唯一性。采用光纖傳輸,將敏感元件與光源和光電器件實現(xiàn)完全隔離,避免了電磁干擾,也避免了檢測系統(tǒng)自身火花放電而導(dǎo)致的危險并可以使操作人員遠(yuǎn)離有毒、危險環(huán)境。光纖甲烷傳感器具有抗污染、防電磁干擾、可高速在線檢測、可遠(yuǎn)距離檢測、小型輕便、耐腐蝕等。1光催化反應(yīng)和光柵傳感技術(shù)甲烷分子有4個固有的振動,每個振動對應(yīng)著一個光譜吸收區(qū),相應(yīng)的波長分別是3.312μm、3.433μm、6.522μm和7.658μm。甲烷在3～4μm波段有強(qiáng)烈的吸收峰,雖然鉛鹽激光器可產(chǎn)生這一波段的光,但光源和探測器都需低溫制冷,價格貴,且這一波段是石英光纖的高損耗區(qū)。該波段雖然在非分光紅外(NDIR)技術(shù)中廣泛應(yīng)用,但并不適合光纖傳感系統(tǒng)。然而甲烷結(jié)合吸收帶和泛頻吸收帶分別位于1.3μm和1.6μm附近(見圖1),正處于石英光纖的低衰減區(qū)(1.0～1.7μm),光源和光電探測器技術(shù)也已成熟,是目前光纖傳感器最好的選擇。相對于1.65μm,1.3μm處于光纖通信的波段被研究的更多,光源技術(shù)也相對成熟普及,是目前光纖傳感器理想的波長,設(shè)計中選擇波長1.33μm的DFBLD光源。根據(jù)Beer-Lambert定律,有I=I0exp(αLc)(1)c=ln(I/I0)αL(2)c=ln(Ι/Ι0)αL(2)式中I為通過介質(zhì)吸收后的透射光強(qiáng);I0為入射光強(qiáng);α為吸收系數(shù);L為光通過介質(zhì)的光程;c為介質(zhì)的濃度。由式(1)可見,如果窄帶光源的中心波長與氣體的吸收峰值對準(zhǔn),確保在實驗中的吸收效果最明顯,濃度一定時,吸收光程L越大,吸收效果越明顯,傳感系統(tǒng)的靈敏度越高。當(dāng)L一定,則通過測量光通過介質(zhì)時的損耗可檢測c,如式(2)所示。2測試氣室的光纖耦合光纖甲烷測試系統(tǒng)框圖如圖2所示,實驗室中的環(huán)境相對穩(wěn)定,DEBLD在溫度和工作電流穩(wěn)定時,輸出功率穩(wěn)定,因此在原理實驗中,采用單光路系統(tǒng)。采用穩(wěn)壓電路為DFBLD提供電源,實驗中采用帶尾纖輸出的DFBLD,圖2中的耦合器是通過一對透鏡準(zhǔn)直聚焦將DFBLD的光耦合進(jìn)光纖。光纖出射的光相當(dāng)一個點(diǎn)光源,再次經(jīng)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直成平行光入射測試氣室,通過被測氣體吸收后,由自聚焦透鏡將攜帶溫度信息的平行光耦合進(jìn)光纖,經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及電信號放大采集處理并標(biāo)定,通過顯示裝置就能讀出氣體的濃度。系統(tǒng)最大特點(diǎn)是測量氣體濃度的光學(xué)敏感部分被光纖與電氣部分完全電磁隔離,并可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙測。系統(tǒng)中的光纖只是傳輸單一頻率的光功率,不存在模式匹配問題,為提高耦合效率選用62.5/125多模石英光纖。在該系統(tǒng)中,測試氣室作為敏感元件,其耦合效率將會對測試靈敏度有直接影響。實驗中采用如圖3所示的結(jié)構(gòu)。在入射端采用球面透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直,在出射端采用帶尾纖輸出的自聚焦透鏡聚焦,這樣只需調(diào)整入射光線與氣室的對準(zhǔn)位置,試驗中采用一對五維精密調(diào)整架實現(xiàn)精密對準(zhǔn),耦合效率約為30%。如果采用球面透鏡聚焦,將需要3個精密調(diào)整架,且調(diào)整工作冗繁;出射端采用直接耦合,效率僅約為1%。原理分析中曾表明,L對吸收靈敏度有較大的影響,這種直接透射式的氣室長度即為L,氣室越長靈敏度會越高。日本學(xué)者Kazutoshi分別對長為22cm和66cm的氣室進(jìn)行了實驗,結(jié)果66cm的氣室吸收效果明顯比22cm強(qiáng)。但氣室太長會導(dǎo)致實驗裝置結(jié)構(gòu)龐大,本實驗中的氣室長度為18cm。3實驗結(jié)果和討論由于式(1)中α?1,所以,這種直接吸收作用會很微弱,為了避免多個環(huán)節(jié)引起的噪聲干擾導(dǎo)致實驗結(jié)果失真以及提高靈敏度,直接用SGT-4C04光功率計取代圖2中的光電二極管(PIN)及之后的部分。光功率計精度是1nW。實驗中的甲烷真實體積分?jǐn)?shù)通過GQJ-2B光干涉式甲烷測試儀測得,精度為0.1%。經(jīng)預(yù)熱1h,未通入甲烷氣體時讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)定,如表1所示的連續(xù)1h穩(wěn)定情況?？梢娫?h的測試過程中,系統(tǒng)相當(dāng)穩(wěn)定,不會影響所測數(shù)據(jù)的真實性。通入不同濃度的甲烷氣體,直接測得的輸出光功率與濃度關(guān)系如圖4所示,轉(zhuǎn)化為透過率如圖5所示,圖中的透過率為I/I0。可見,在實驗條件下,正如理論分析可知,甲烷的吸收效果較弱。對透過率與甲烷體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系進(jìn)行線性度分析,相關(guān)系數(shù)為-0.99783,標(biāo)準(zhǔn)差2.06532×10-4。這說明紅外光透過率隨甲烷體積分?jǐn)?shù)的上升幾乎成直線下降,且在測試過程中,各測試點(diǎn)與均值的偏差很小。4光功率檢測計數(shù)理論和實驗結(jié)果表明,紅外光譜吸收式氣體檢測技術(shù)可用于對甲烷氣體濃度的檢測。實驗中,采用單光路傳輸,精度為1nW的光功率計作為光探測器,在小于體積分?jǐn)?shù)15%范