一种基于荧光机理的光纤气体测量仪

　　1　引言

　　用光纤传感技术监测易燃、易爆、有毒、有害气体,具有抗电磁干扰、耐腐蚀、绝缘、阻燃防爆以及易于实现远距离遥测等特点[1]。气体含量的光纤传感有两种技术,一是光谱吸收式,它利用气体在红外波段的本征吸收特性进行气体含量测量。测量仪由光源、气室、光纤耦合以及信号处理等环节组成。光源通常采用LED、LD或DFB LD。光纤结构有单光束、双光束、双波长。双光束、双波长用以消除光源表征光功率不稳定影响。信号处理有直流光强检测、锁相检测和谱相关检测形式。由于光源受温度影响产生光功率、波长漂移,因此信号处理采用光强调制锁相方法,通过调制亦可有效抑制白噪声。第二类为荧光法,它是指被测气体在一定波长激发光激励下发出荧光,用荧光的强度或荧光寿命表征被测气体的含量。荧光分析法测量气体含量具有灵敏度高、非接触在线测量等优点,在环境气体监测领域具有一定优越性[2,3]。本文根据二氧化硫气体的荧光特性,用PIN PD作为光谱探测器,结合光纤传感和微弱信号技术,研制了一种可以用于监测二氧化硫含量的光纤荧光测量仪。此仪器由于采用光纤传光,提高了其实际应用的灵活性。实验证明,此仪器还具有灵敏度高,测量速度快等优点,改变仪器的某些参数还可测量其他气体。

　　2　测量仪的设计

　　2.1　仪器的组成和工作原理

　　图1所示为光纤荧光测量仪组成框图。它主要由光源、聚焦透镜、窄带滤光片、光纤、探头、PINPD、数据采集卡、计算机和显示系统组成。光源(150 W短弧氙灯)发出紫外波段的光经聚焦透镜、窄带滤光片耦合进入光纤,被测气体受激发出荧光,经探测光纤收集后,由滤光片滤光(主要滤掉激发光和背景光),再经光纤传输至PD表面,PD将光信号转换成电压信号,由数据采集卡进行数据采集和转换,最后送入计算机进行处理和显示。由此可以得到被测气体在最大发射波长处的荧光强度,进而得到相应的被测气体的浓度值。

　　2.2　仪器参数

　　仪器结构如图1所示,激发光纤和探测光纤相互垂直放置。激发光纤为一根石英光纤(50/125μm渐变折射率光纤),探测光纤为7根成缆光纤束,每根的芯径为200μm,数值孔径为0.22(80/125μm渐变折射率光纤)。用稳态荧光光谱仪(英国Edinburgh Instruments公司)测得二氧化硫的最佳激发波长为220.8 nm,测量时根据实际需要选择中心波长不同的窄带干涉滤光片作为激发滤光片。所选用的荧光滤光片的中心波长为220 nm,透过率大于

85%。聚焦透镜的选择与光源和光纤有关,选用焦距为70 mm的聚焦透镜用于光纤和光源以及探测器的耦合。PD是信号处理的核心,本仪器选用的PIN PD有效光谱响应范围4001 100 nm,具有暗电流小、噪声低等优点。采用渐变折射率光纤作为输入和输出信号输出耦合介质,其衰减在1.82.2 dB之间。