光纤甲烷气体传感器
摘要：基于甲烷气体近红外吸收的机理, 研究一种易于实现的光纤甲烷气体传感器。分析了半导体激光器的调制特性和谐波检测的基本原理, 建立了传感器的数学模型。系统采用分布反馈式半导体激光器做光源, 加入参考光路和参考气室, 使光源输出的中心波长锁定在气体的吸收峰上, 通过光源调制实现对甲烷气体浓度的谐波检测,提出实施改进方案，同时大气和工业污染中的其他气体分子的含量也可通过调换光源及相应的光学器件采用类似的方法测量。
关键字： 甲烷；近红外吸收；谐波检测；DFB半导体激光器；
1. 引言
甲烷是一种易燃易爆气体,是沼气、天然气和多种液体燃料的主要成分。其在大气中的爆炸下限为4. 9 % ,上限为15. 4 %。在煤矿井下瓦斯气体中,甲烷所占的比重最大,在80 %以上。在我国煤矿安全事故中,瓦斯爆炸造成的伤亡占所有重大事故伤亡人数50 %以上。实时监测甲烷气体的浓度、防止爆炸,对于工矿安全运行、人身安全有着至关重要的作用。目前，甲烷气体的监测主要采用的化学传感器和电子探测器，化学敏感元件容易受到表面污染,需要定期更换, 而且易受其他气体的干扰, 长时间工作时存在零点漂移和灵敏度变化, 会直接影响监测系统的可靠性，而电子传感器则需要防爆装置，还需要定期检验和校正。光纤甲烷气体传感器是应用介质对光吸收而使光产生衰减这一特性的吸收型光纤气体传感器具有传输功率损耗小,传输信息容量大,抗电磁干扰能力强,且耐高温、高压、腐蚀,绝缘、阻燃、防爆,易于实现远距离实时遥测和良好的气体选择性等特点。本文采用分布反馈式半导体激光器(DFB LD) ,其中心波长在1. 66 μm ,并与二次谐波检测技术相结合,实现了对甲烷气体的谐波检测。
2.基本原理
2.1 检测原理
当一束光强为I0 的平行光通过充有气体的气室时,如果光源光谱覆盖一个或多个气体吸收线,光通过气体时发生衰减,根据Beer-Lambert 定律,输出光强I ( t)与输入光强I0 ( t)和气体浓度之间的关系为:
I(t)?0I(t)ex?p?[f(C) L ] （1）
式中: α( f )为气体吸收系数, 即气体在一定频率f 处的吸收线型; L 为吸收路径的长度; C
为气体浓度。
对式(1) 进行变换,得:
c?1?(f)lnI0(t)I(t) （2）
所以通过检测输入光强和输出光强的变化,加上已知的光程,就可以测得气体的浓度值。 谐波检测技术被广泛地用于微弱信号检测。其基本原理是通过高频调制某个依赖于频率的信号,使其“扫描”待测的特征信号,然后在信号处理系统中,以调制频率或调制频率的倍数作为参考信号,用锁定放大器记录下要得到的信息,这一特征信息具有调制信号的一系列谐波信息。
将式(1) 展开为傅里叶级数序列,它的一次谐波( f )和二次谐波信号(2 f ) 的系数分别为:
If?I0? （3）
I2f??k?0CLI （4） 0下图是光经过气体的信号，一次谐波和二次谐波信号，可以看出经过谐波调制后信号明显加强，便于测量。
图 1 频率调制实例
由式(3) 、式(4) 可知,二次谐波和一次谐波的比值不含I0 项,用比值作为系统的输出可
以消除光强波动等因素带来的干扰。
I2fIf??2k??0CL （5）
根据Beer-Lambert 定律,如果激光器的中心波长和气体吸收峰中心波长对准,则通过测量光通过气体时的损耗就可以检测气体的浓度。然而,一般气体的吸收峰很窄,光源波长随环境(温度) 的漂移将引起光源中心波长偏离气体吸收峰的中心波长,引起吸收系数随温度变化,因而也导致测量的不稳定。通过光源频率调制和附加参考气体的方法将光源波长精确地稳定在气体吸收峰中心波长上,由于气体的吸收特性,光经过气体的频率调制转化为强度调制,其幅度大小正比于吸收峰的高度,也就正比于气体的浓度。式（4）二次谐波的幅度可用于测量气体的浓度。 2.2 甲烷的吸收谱带特性
甲烷气体的本征吸收谱在λ1 = 3. 43μm、λ2 =6. 78μm、λ3 = 3. 31μm 和λ4 = 7. 66μm 处,然而工作在室温下的激光器仅对2μm 以下的波长适用,商用的低损耗光纤也限制在后者的波长范围内(1. 0 -1. 7μm) 。甲烷的结合带f 2 + f 3 和泛频带2 f 3 皆存在,分别为1. 3μm和1. 6μm ,如图2 所示， 图2 表明,甲烷气体在1. 6μm 处的吸收强度远大于1. 3μm 的吸收强
度。
图 2 甲烷气体的吸收谱
由甲烷气体在1. 6μm 处的精细结构谱可知(见图3) ,在1. 66μm 支带吸收线是相当强的,而且水蒸气、二氧化碳等在此处无明显的吸收。实验选用中心波长为1. 66μm的分布反馈式半导体激光器( DFB LD)作为光源。
图3 甲烷在1.66μm处的精细结构谱图
3.甲烷气体检测系统
3.1光源的选择
光纤气体传感器所选用光源应满足的条件是:输出中心频率同气体的吸收谱线特征相吻合, 与光纤的低损耗窗口相适应, 温度特性良好。由以上分析可知DFBLD的光源的中心谱线就在1. 66μm处，因为分布反馈式( DFB )半导体激光器是将光栅放在半导体激光器的有源区内代替反射面进行反射, 由于光栅只反射一定波长的光波, 所以在多个频谱中选取了与光栅固有波长相同的光震荡, 具有谱线窄、功率大、单纵模运行等特点, 并且可以通过调制温度和注入电流来粗调和精调其输出波长。分布反馈式半导体激光器作为光源的气体传感技术在灵敏度、选择性、动态范围、信噪比和响应时间等方面比传统方法有诸多优点, 是光纤气体传感器的首选光源。
3.2气室的选择
在实验室中我们采用的是封闭式的气室，这样有利于实验的操作，且不污染环境，气室
选用特殊设计的小型渐变折射率透镜构成的，其结构如图 4, 小型渐变折射率透镜可以设计带尾纤, 能够与光纤很好地耦合。
图4 气室结构
在应用中，我们考虑采用开放式的气室，参考东京电力公司的一个气体检测设备用的探测头，其结构如图 5，用这种器件构成的气室耦合损耗小, 易准直, 小巧且易于安装。
图5 气体探测头的结构
图6 探测头的成品图
此气室探测头满足一下要求：
① 在探测头中，光通过“space propagation component”（空间组件）； ② 空间组件中的损耗和噪声要小，便于测量低浓度甲烷气体； ③ 过滤器和空间组件可以更换；
3.3系统的组成
光纤甲烷传感系统框图如图7所示, 主要由光源部分、测量光路、参考光路、调制电路、光电转换和信号处理部分组成。通过调节激光器的注入电流对其输出波长进行调制,使其扫描的范围正好覆盖气体的某一个吸收峰。从DFB LD出射的激光经光隔离器到50：50的光纤耦合器, 一部分光到测量气室, 另外一部分到达参考气室, 参考气室装有100%的纯甲烷气体, 从参考气室输出的光经光电探测器转化为电信号, 由锁相放大器提取其一次谐波信号经积分器作为反馈信号使激光器的输出波长精确地锁定在气体的吸收峰上。从测量气室输出的光经光电探测器转化为电信号, 用锁相放大器提取其二次谐波信号, 然后通过计算机进行数据采集与处理。
