差分吸收式光纤甲烷气体传感器的研究

　　0　引言

　　甲烷是一种易燃易爆的气体,是许多气体和液体燃料的主要成分,是重要的工业原料和日常生活的燃气,如天然气、沼气、液化石油气和瓦斯等。甲烷在空气中爆炸的浓度下限为5.3%,上限为15%。影响工矿企业安全运行的一个主要因素是主要成分为甲烷的瓦斯气体引起的燃烧和爆炸。近年来,甲烷被认为是温室效应的最主要的气体成分之一,它吸收红外线的能力是二氧化碳的15~30倍,而且空气中甲烷气体的浓度每年大约以1%的速度增加。因此研究出一种能方便地检测出甲烷气体浓度的方法,及时检测出甲烷气体的浓度,对于工矿企业安全运行、人身生命财产安全和环境保护都有着十分重要的意义。

　　近年来,随着光纤传感技术的飞速发展,光纤气体传感器也得到了广泛的研究和应用。它具有灵敏度高、响应速度快、防燃防爆、不受电磁干扰、可以实现光信号的长距离传输和现场实时遥测等优点,所以对光纤气体传感器的研究受到人们的广泛关注。本文正是利用光纤气体传感器来实现对甲烷气体的在线遥测。

　　1　系统工作原理

　　当光波通过气体介质时,部分光能量会被气体吸收,剩余部分会继续按照原来的方向传播。所以通过充有待测气体的气室的光信号的强度会减弱,而光强减弱的程度与待测气体的浓度有关,根据比尔—朗伯定律:

　　式中:I0(λ)为输入光强度;I(λ)为输出光强;λ为光的波长;C为待测气体浓度;L为光通过吸收介质的长度;αm为单位长度的介质吸收系数。对式(1)进行变换可得:

　　由式(2)可知,因为L为已知的定量,根据λ值可以得到αm,所以我们通过测定I0(λ)和I(λ)就可以求出待测的气体浓度C。不同的气体有不同的吸收谱线,只有光源发出的入射光强位于待测气体吸收谱线的位置时才能发生上述的气体吸收作用。所以,首要的问题是找到气体的吸收谱线。以上是本文设计的传感器的工作原理。

　　2　CH4的吸收谱线

　　甲烷气体具有4个固有的振动:V1=2913.0,V2= 1533.3 ,V3= 3018.9,V4=1305.9 ,每一个固有振动对应一个光谱吸收区,甲烷气体的本征吸收谱区在λ1=3.43μm,λ2=6.78μm,λ3=3.31μm,λ4=7.66μm处。然而,工作在室温下的LED仅在2μm以下的波长范围内适用,常用的低损耗光纤也被限制在这个波长范围内。在近红外区,甲烷气体有许多泛频带和联合带,在泛频带2V3和结合带V2+2V3处都存在很强的吸收,波长分别为1.33μm和1.66μm。甲烷气体的吸收谱图如图1所示。

　　由图1可以看出,甲烷气体在1.66μm处的吸收波谱比1.33μm处宽,吸收系数比在1.33μm处大,吸收强度远大于1.33μm处的吸收强度。所以,选择LD做光源对1.66μm处的吸收谱线进行检测,有利于提高检测的灵敏度。