（测试计量技术及仪器专业论文）用led作光源的光纤甲烷气体传感器及其检测系统的研究.pdf

摘要 摘要 光纤气体传感技术是一项正在发展中的新型高新技术，在工业生产、 环境擞测和医学等领域具有广黼娓应用前景。避些年来，撼蔷光纡传感技 术的发矮，竞纾气体传感嚣的研究在国内井鳓受笺广泛豹激撬。炎纾气体 传感器以光为测量信号的载体，对被测对象不产生影响，其自身独立性好， 可适应备种使用环境，由其组成的光纤传感系统便于与中心计算机连接， 霹实凌多动戆、答瓤纯竣要求，霹与走纤遥测技术摆配合实瑗运距离溅爨 与控制。 水文以甲烷为网标气体，研究基于近红外光谱吸收方法的全光纤检测 系统，该系统可以瓣甲烷气传遴行实时在线梭测。 遴过分析秘院较多种气体浓淡检测方法，根据系统的测量要求和成用 环境，选择光谱吸收法作为本系统的理论方法。通过对气体近红外选择性 吸收的理论分析和甲烷气体在近级外吸收谱线的研究，考虑到传输光纤的 稳损黧特往，确定了泽烷气舔翡强疆竣谱线。辍l e d 作光源，班宽豢必源 差分暇收法为理论熬础，结合以锁相放大器为核心的微弱信号检测电路和 计算机控制电路，实现对甲烷气体的浓度检测。 凝擐实验室瑷蠢戆实验条孛髑仪器设备，对蕊设诗蓉绞瓣遗露实验磷 究，甑括系统灵敏艘和分辨率及熬个系统的橼定实验，实验结果验证了系 统的可行性。 关键谰译烷 差分蔽收法；运甄静暖牧光谱；弱信号捡溯；实对在线硷测 塞遨奎兰三主缝主耋堡篁塞 a b s t r a c t o p t i c a lf i b e rg a ss e n s i n gt e c h n o l o g yi sad e v e l o p i n ga n dn o v e lt e c h n i q u e ， w h i c hh a saw i d ea p p l i c a b l ep r o s p e c ti ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n , e n v i r o n m e n t m o n i t o r i n g a n dm e d i c a ls c i e n c e + i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f o p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g y , t h er e s e a r c ho fo p t i c a l 丘b e rg a ss e n s o rh a s b e e ns e r i o u s l yr e g a r d e da l lo v e rt h ew o r l d t h es i g n a ld e t e c t e db yo p t i c a lf i b e r g a ss e n s o r si sc a r r i e db yl i g h tw a v e ，w h i c hh a sn oi n f l u e n c eo nt h em e a s u r e d o b j e c t t h es e n s o rt h a th a sg o o di n d e p e n d e n c ep e r f o r m a n c ei t s e l fc a nb e a d a p t e d t oa l lk i n d so fs u r r o u n d i n g s 。t h eo 辨记畦f i b e rs e n s i n gs y s t e mw i t ht h e s e n s o r s ，w h i c hc a nb ec o n n e c t e dw i t hc o m p u t e r sc o n v e n i e n t l y , c a nr e a l i z e m a n yf u n c t i o n sr e q u e s ta n di n t e l l e c t u a l i z e dn e e d t h e yc a l lm a t c hw i t hr e m o t e m e a s u r et e c h n o l o g yt om e a s u r ea n dc o n t r o li nl o n gd i s t a n c e i nt h i sp a p e r m e t h a n ei su s e d 勰ar e s e a r c hs a m p l e t h ep a p e rd e s i g n sa n a l lo p t i c a l - f i b e rg a sm o n i t o rs y s t e mb a s e do nn e a r - i n f r a r e da b s o r p t i o ns p e c t r u m m e t h o d t h es y s t e mc a nb eu s e d 洫r e a l - t i m em e a s u r e m e n to f t h em e t h a n eg a s w i t ha n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gw i t hm a n yg a sm e a s u r em e t h o d sa n d a c c o r d i n g 牺t h es y s t e m sn e e do fm e a s u r ep r e c i s i o na n dw o r kc o n d i t i o n , 锵 s e l e c ts p e c t r u ma b s o r p t i o nm e t h o da st h et h e o r e t i c a lw a yo ft h i ss y s t e m a f t e r s t u d y i n gn e a r - i n f r a r e ds e l e c t i v i t ya b s o r p t i o nt h e o r yo ft h eg a sa n dm e t h a n e a b s o r p t i o ns p e c t r u m i nn e a r - i n f r a r e d f k l d , c o n s i d e r i n gt h e a t t e n u a t i o n c h a r a c t e r i s t i co ft h et r a n s p o r t f i b e r ，t h es t r o n ga b s o r p t i o ns p e c t r u mo f m e t h a n eg a si sc o n f i r m e d 。u s i n gl e da st h el i g h ts o u r c eb a s e do nt h et h e o r y o fw i d es o u r c ed i f f e r e n c ea b s o r p t i o nm e a s u r e m e n t ，b e i n gc o m b i n e dw i t ha w e a ks i g n a lm e a s u r ec i r c u i tw i t ht h ec o r eo fl o c k - i na m p l i f i e ra n dt h ec i r c u i to f c o m p u t e r sc o n t r 0 1 t h es y s t e mi sa c h i e v e d 协m e a s u l f et h ec o n c e n t r a t i o n u s i n gt h ei n s t r u m e n ta n dt h ec o n d i t i o no fl a b o r a t o r y , t h ee x p e r i m e n to f t h ed e s i g n e ds y s t e mi sc a r r i e do u t t h e ya r ec o m p o s e do ft h es e n s i t i v i t ya n d a b s t r a c t r e s o l v i n gp o w e ro ft h i ss y s t e ma n dt h ec a l i b r a t i o no ft h ew h o l es y s t e m t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o n f i r mt h ef e a s i b i l i t yo f t h em e a s u r es y s t e m k e y w o r d sm e t h a n e ；d i f f e r e n c ea b s o r p t i o nm e t h o d ；n e a r i n f r a r e da b s o r p t i o n s p e c t r u m ；w e a ks i g n a lm e a s u r e ；r e a l - t i m ea n do n l i n em e a s u r e i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 甲烷是常见的易燃易爆气体和多种液体燃料的主要成分。甲烷在大气 中的爆炸下限为5 3 ，上限为1 5 0 。矿井中瓦斯的主要成分是甲烷，约 占8 3 8 9 ，矿井瓦斯是煤矿自然灾害的重要根源。瓦斯的存在使人窒息、 遇火源爆炸，瓦斯爆炸还极易引起煤尘爆炸。煤与瓦斯突出也是一种强烈 的动力现象和严重的灾害。瓦斯事故已占全国煤矿重大事故总数的7 0 以 上，据统计，1 9 9 0 1 9 9 9 年全国煤矿共发生3 人以上的死亡事故4 0 0 2 起， 共死亡2 7 4 9 5 人。其中：瓦斯事故2 7 6 7 起，共死亡2 0 6 2 5 人，占3 人以上 死亡事故总起数的6 9 1 4 ，死亡人数的7 5 0 1 。我国现有国有重点煤矿 6 5 7 处，其中有煤尘爆炸危险的煤矿5 6 7 处，占8 6 3 ；煤与瓦斯突出矿 井1 3 0 处，高瓦斯矿井1 8 0 处。根据对地方国有煤矿3 万吨以上的1 6 5 0 处矿井统计，有煤尘爆炸危险的矿井7 0 0 处，煤与瓦斯突出矿井1 2 0 处， 高瓦斯矿井7 0 0 处。1 9 6 0 年5 月9 日，山西省大同老白洞煤矿发生特大瓦 斯煤尘爆炸事故，死亡6 8 4 人。2 0 0 0 年9 月2 7 日，贵州省水城木冲沟煤 矿发生特大瓦斯煤尘爆炸事故，死亡1 6 2 人。2 0 0 4 年1 1 月2 8 日7 时1 0 分，陕西省铜川矿务局陈家山煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，死亡1 6 6 人， 是我国自1 9 6 0 年1 1 月2 8 日平顶山龙山庙煤矿死亡1 8 7 人的瓦斯煤尘爆炸 事故之后，4 4 年来我国煤炭行业最大的一起事故。由此可见，我国煤矿瓦 斯煤尘爆炸事故，煤与瓦斯突出事故频繁发生，死亡人数多，严重影响煤 矿安全生产。因此，瓦斯灾害防治工作无论是过去还是将来，一直是煤矿 安全工作的熏点【l 】。 甲烷也被认为是温室效应最主要的气体之一，甲烷吸收红外线能力是 二氧化碳的1 5 3 0 倍，占据整个温室贡献量的1 5 。空气中的甲烷浓度每 年大约以1 的速度增长嘲。及时、准确地检测甲烷气体的产生源、泄漏源 及浓度，对于工矿安全运行、人身安全和环境保护都有着十分重要的作用。 1 燕山大学工学硼士学位论文 夔麓毽赛工藏纯透程黪热浃，在麓富灌长豹阏霹，氇繁来了严黧瓣环 境污染闽题。环境保护已经成为当今1 址界倍受关注的一大难题。大气污染 是一季孛严重环境瓣染形式。诈多与大气污染相关的现象，鲡温室效嶷、酸 雨、大气臭氧层空洞等不仪受到科学家豹关注，而且因为它直接关系到人 类健康嫩活，更怒被民众所关心。各大城市每天都通过媒体向市民发布大 气污染臻数羡羧，备静法簿法囊不鼗爨台淡袁褥控翻污染深，改善大气质 量。而对大气环境的监测为大气污染的治理方案提供最基本的数据。大气 污染的鸯效监测与控制，需娶一系列的新型气体传感器及测量技术，这造 就了一个不断扩大豹气俸健感器市场。因此，研究各种气体的稔测方法与 气体传感器是传感技术发展领域的一个重要的课题。 l 。2 气体传感器概述 气体传感器怒利用被测气体的物瑷化学性质来检测气体的，分为物理 注帮亿孥往嚣释。物理往匏传感器是遴过窀流、电导、毙豹折射率等物理 量的变化来检测的；而化学性传感器鼹通过化学反应、电化学反应引起的 物理量酌交讫来捻测戆；下凝论述冬类传感嚣的其傣l 毒援秘存在的阉题嘲。 1 2 1半导体气体传感器 半孥体气钵霞戆器是翻弼气敏元梅同气体接艇，搜半簿体静馥溪发生 变化，以此来检测特定气体的成分或浓度。优点是可以在低浓度区仍对可 燃性气体和某些毒性气体( 甲烷) 有较禽的检测灵敏度，体积小，结槐麓单， 成本低，使用方便。 ( 1 ) 电导式传感器传感器保持一定的温度，当待测气体接触传熊元件 磊，奁俺感元孛 表覆形藏蔽辫，镬冀魄导奉发垒交建。镣测气薅浓发与健 感元件的电阻值之间有一定的关系，因此可对气体浓度加以检测。此类传 感器主要用来对可燃性气体浓度和低浓度毒气的检测，离浓度范围测量穰 菠不高，受周围环境影响大。 ( 2 ) 热导式传感器传感元件( 金属氧化物) 吸附气体后，电导率和热导 率交健，佼筵感元传兹湿度变纯，由戴寒检测气俸戆浓度。魏类传感藜稳 2 第1 章缝谂 定性好，通常组成惠斯爨电桥来检测。 ( 3 ) 氧化锡气体传艨器氧化锡掺杂不同，则可检测不同的气体。利用 氧化锡烧结体吸附还原气体时电阻值减小的特性，可检测还原气体是否存 在，同时可实瑷可燃瞧气傣强ec h 4 ，c o 笛豫漏气报警。 ( 4 ) 氧琵簿气钵簧慧嚣也露通过掺杂改交，来检瓣不潮豹气俸。 ( 5 ) 氧化铁气体传感器它是近几年发展起来的新型气体传感器。由于 不用催化剂，故检测灵敏度有所提高。 l ，2 2 电化学式气体传感器 ( 1 ) 定迄蕴逄舞僚然器逶过隔貘褥扩散蔽毂裁电解液中豹被测气钵 电解，以此来检测气体浓度。电解作用怒嵌外部加了特定电位的电极表面 进行的，只要测定加在f 电极上的电位，即w 测得被测气体特有的电解电位， 根据电解电位的不同，使传感器只有一定程度的选择性。缺点是电极表面 易污染，电解液不好像持。 ( 2 ) 锄霞趸毫遣式撩惑器逶过溺耋被测气薅懿电解邂波寒灞量气搭 浓度。 1 2 3 红外吸收气体传感器 被测气体与传感器轰接接触后，吸收级外线鲍特定波长，藤红乡 检攫l 辩慕检嚣气体滚痉。溅爨毅牧走谱，哥麴气矮类鳘 测啜i 蔽强壤，蘑可氧 气体浓度。精度高，选择性好。 1 2 4 固体电解质气体传感器 刹用露体电解质的甄离子导电特性，巍元馋两侧的氧浓度不同时，形 袋浓度差宅洼逮动势不弱。主要震来分耩气传孛氧懿浓度。 1 2 5 燃烧式气体传感器 利用气体成分的威鹿性，如催化燃烧可燃气体传感器。可燃气体在元 件淡箍，燃烧时温度升高丽引起锿丝电阻发生变化，测出可燃气体的浓度。 燕山大学工学硕士学位论文 1 2 6m o s 场效应管传感器 在镪m o s 场效应管中，满扳电流矗流过辩舱最小晒界电疆值随空气 中所含气体浓度的增高而降低，利用这一特性来检测气体浓度。缺点是气 体确疲将往受溢度限翻，盈长籁稳定性麓。 l 。2 7 必波导浅气体传感器 光波导式气体传感器主要是由表面均匀覆盖一层固体染料膜的毛细波 罨管缝成。当气体接触到絷精貘嚣尊，它觚一耱繇色交纯翳另一释颜色，并 伴随有膜的折射率和光吸收系数的变化。当光通过波导时，光的损耗则岛 镑测气体浓度煮关，姨嚣溅褥气诲浓度。波导静透莉蠢麓其与染瓣膜豹状 态变化有关，当待测气体消失时，染料膜又恢复到原颜色。因而光波导式 镄感器重复瞧努，稳定谯好，荔予在恶劣繇壤下王幸# 。 l 。2 8 光纤气体传感器 光纤传感技术是一项正在发展中的典有广阔前景的新型高技术。由予 必纾本身在簧羧蕊惫遘纛孛具鸯诲多特蠢豹缝凄，絮兜纾传赣售怠露能爨 损耗很小，给远躐离遥测带来很大的方便。光纤材料性熊稳定，不受电磁 场予撬，在毫湿、嚣压、低漫、强囊德等恶劣环境下餐拷不交，菠激竞纾 倦感器从问世到如今，一直都在飞速发展【4 】。 光纾气髂传感器熬毙学技术必基磁，将技敏感豹姨态戳竞罄母形式歉 出，利用小型而简单的半导体器件，如l d ，l e d , p i n ，a p d 等很容舄进行光 魄、电必转换，易予与褰速发爨熬电予装置穗透痤。象与其毽鹱感器搽 比，有许多优点 ( 1 ) 灵敏度毫，频豢宽，兹态菠整大，赉予簧羧戆售惑载俸蹩光，舞塔 已研制成功的光纤气体传感器分辨率大部分优于篡他同类传感器，光信母 载频毫，频带宽，必爨馋已经或熬，戆徽戏强大靛凄态藏夔。 ( 2 ) 光纤不仅w 以作为敏感元件，当用作传输线时，熟损耗很低，因此 不毖考惑瓣量仪瓣葶瑟鼓溺物体豹稳对毽鬓，特剽淹会子瓤孑式等俦惑器不 4 第1 章绪论 太适合的地方，可以与光纤遥测技术相配合实现远距离测量与控制。 ( 3 ) 光纤材料有很好的电绝缘性。光纤气体传感器不受电磁干扰，能避 免产生火花，适用于油罐气体浓度检测。它耐高压，耐腐蚀，在恶劣环境 下工作可靠。 f 4 1 光纤式无源器件，对被测对象不产生影响。其自身独立性好，可适 应各种使用环境。 ( 5 ) 光纤气体传感器组成的光学系统便于与中心计算机连接，可实现多 功能、智能化的要求。 ( 6 ) 光纤加特殊保护层后能在高低温下工作。 ( 7 ) 光纤气体传感器体积小，重量轻，安装简单，造价低。 1 2 9 各种气体传感器性能比较 表1 - 1 是基于各种原理的气体传感器性能分析。 气体传感器是一类特殊的化学传感器，可以用于探测气体种类、测量 气体浓度以及一些气体物理化学特性( 如p h 值等) 。传统的气体传感器是基 于气体电化学及物理特性的电气体传感器，例如基于热催化原理，热导原 理的气体传感器已经在工业部门广泛应用。它们的主要问题是长期稳定性 差，易中毒，对外部环境温度、压力及湿度变化敏感，容易老化。而且电 类的传感器很难解决在可燃易爆环境下以及强电磁干扰下可靠工作问题。 经过几十年不断的研究，载体催化元件逐步成熟并占据了矿井瓦斯和 多种可燃可爆气体检测领域的首位。当前国内生产的瓦斯测量仪、报警仪、 断电仪和遥测仪有近2 0 种，混合可燃气体测量仪，高能燃料报警器和家庭 煤气报警器等至少有4 个品种的产品，然而现场并不满足目前元件的性能 指标，迫切需要提供更好的元件，其中特别要求进一步提高元件的长期稳 定性和延长使用寿命。另一发展方向是研究抗毒能力强的元件。 通过表1 - 1 中各类气体传感器性能的比较，可以看出采用光纤气体传 感器来检测气体具有选择性高，寿命长，不受环境气体影响，能对o 1 0 0 浓度的可燃气体进行在线连续检测等优点，在本文中采用光纤气体传感技 术作为本气体检测系统的理论方法。 5 篓耋奎兰三兰登主警簋釜茎 袭1 - 1 气体传感器性能比较 t a b l ei - 1 c o m p a r i s o no f c h a r a c t e r so f g a ss e n s o r s 分析方法 灵敏可靠性对气体的响应遴皮稳定性简易度测定范 度选择性 嚣 半母体法菲常穗靛差夔好稍差菲常简达l e l 好 苴 接触燃烧 相当相当好稍好非常迅德良好非常简选l e l 法好 苗 鬣熄离罄 襁当受妊秘好快藕努 中等复 p p m 瓣 法妊1 0 0 母热法 良好髓好良好 较快 良好简单宽范围 红外吸收稍好良好 相当好 快 良好 中等复 相当宽 法杂范围 纯攀发毙盎葑蠹鳄莛努梃 囊抒 籀蕈 弹m 静 法 l 。o 光干涉法良好是好良好恢良好中等复宽范围 杂 试纸光电良好良好良好差良好中等复特别微 毙壤涟杂 蛰鳇检 测 憾电位电良好怠好良好快良好简单宽范围 解法( 2 0 3 0 s ) 气相色谱非常非常好非常好差非常好非常复 p p m 的 法 妊 杂 l o 沌纾气镩 非常 菲簿好 菲常好抉 常好 中等复相当宽 传感器好杂范围 ( i ) l e l r 低爆炸极限 ( 非常好，相当好 良好埘巍好 穗差 差 6 第1 章绪论 1 3 光纤气体传感器的分类 光纤传感器一般用于气体浓度的测量主要基于与气体物理或化学特性 相关的光学现象或特性。用于气体测量的光纤技术相当丰富，各种光纤气 体测量装置种类繁多。下面是几种主要的光纤气体传感形式1 5 j 。 ( 1 ) 吸收型光纤传感器这种技术利用气体在石英光纤透射窗口( o 8 i _ t m 1 7g m ) 内的吸收峰测量，由于气体吸收产生的光强衰减，根据b e c r l a m b e r t 定律，可以计算出气体的浓度。常见的气体( c o 、c h 4 、c 2 h 2 、n 0 2 、 c 0 2 ) 在石英光纤透射窗口都有泛频吸收线，在这一波段发光器件和接收器 件都是比较理想的光电转换器件。用这种方法可以对大多数的气体浓度进 行较高精度的测量。 利用吸收型的气体传感器的一大优点是具有简单可靠的气室结构，而 且只需要调换光源，对准另外的吸收谱线，可以用同样的系统来检测不同 的气体。光谱吸收型气体传感器是应用最为广泛的一类气体传感器。依据 信号检测方法的不同，还可以细分为许多类型。 光谱吸收型光纤气体传感器是研究得最多并接近于实用化的一种气体 传感器，它采用的是普通光纤或多模光纤。这种传感器由光源、气室，双 波束或双波长的光路以及信号处理4 个环节组成。光源通常采用半导体光 源，包括发光二极管、激光二极管和分布反馈式半导体激光器( d f bl d ， d i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e rd i o d e ) ，极少数情况下采用连续光源和气体激光 器( 如c 0 2 激光器) 。采用半导体光源的原因是其驱动电路简单、易与光纤 耦合、体积小、功耗低、寿命长、成本低等。气体吸收路径是影响检测气 体灵敏度的一个重要因素，其结构大致可分为单光程吸收透射检测和反射 ( 包括怀特腔多次反射) 检测2 种，怀特腔的多次反射增加了吸收路径长度， 检测灵敏度可以较大幅度地提高，但实际上因多次反射会造成耦合状态易 受振动影响的后果，因此无实际意义。光路结构一般有单光束、双光束、 双波长3 种基本形式，双光束、双波长方法用以消除光源老化、光功率不 稳定因素。在信号处理上亦有直流光强检测、锁相检测和谱相关检测3 种 基本形式。由于光源受温度影响易造成光功率、光波长漂移，所以在实际 7 燕山大学工学硕士学位论文 检测中，多采用光强调制锁相检测的方法，通过调制来有效地抑制白噪声。 ( 2 ) 渐逝场型光纤气体传感器渐逝场光纤传感是利用光纤界面附近 的渐逝场被气体吸收峰衰减来测量气体浓度的方法，是一种功能型光纤传 感器。从本质上说，可以认为是一种特殊的光纤光谱吸收型传感器。 对于光纤中的导模，可以认为光在光纤芯子和包层的界面上发生全反 射。这时在包层中出现渐逝场，它的电场振幅随着离光纤芯子的距离的增 大作指数衰减。在某种情况下，例如渐逝场区域内的包层部分被吸收型介 质( 如被测气体或染料指示剂) 代替，这时部分渐逝波被这种介质吸收而发 生衰减，对导模来说，它在芯子和包层界面的反射系数将会小于1 ，最终 导模将发生衰减。 普通单模光纤 图1 - 1d 型光纤气体传感器原理图 f i g 1 1p r i n c i p l ed i a g r a mo f d - f i b e rg a ss e n s o r 一种典型的光纤渐逝场气体传感器是将普通光纤的包层去掉一部分形 成所谓d 型光纤( d f i b e r ) ，使得包层中的一部分光波能量处于环境中，待 测气体与渐逝场中的光波相互作用产生吸收从而使出射光强发生变化，图 1 1 采用d f i b e r 测甲烷的原理图，它所采用的是宽带边发射发光二极管 e l e d ( e d g e e m i t t i n gl i g h te m i t t i n gd i o d e ) ，在接收光路中加个f - p 腔 r 第1 章绪论 f p z t ) 来滤波，f - p 腔豹中心波长帮甲烷的一条歉支吸收缓熏台，戳我可驻 从f p 腚后的二次谐波中摄取浓度信息。但实验研究结果并不理想，其纯 甲烷的最小可检测浓度只有4 0 。 r 3 ) 茨光型光纤气体传感糕这是一种通过测最与气体相应的荧光辐 射来确定蒸浓菠豹光纾气然赞感器。荧光可颤自坡溅气钵本身产生墩可以 壹与蔟稠麓作魇豹荧蠢爨秘产生。荧光耱震蔽浚光谱孛特定渡长鹃蹩照麓， 被测气体的浓度既可以改变荧光辐射的强度，也可以改变其寿命。 和吸收型光纤气体传感栩比，荧光型传感器传感所用波长( 荧光波长1 不同于激励光波长。由于不同的荧光材料通常舆商不同的荧光波长，因此 荧光传感器瓣被测量的鉴别馊好。实际上希望辍射波长帮激融波长离开褥 越远蘧好，在输鑫壤可弼寨後夔波长滤渡器将激麓毙弱传落蠢分开。邋常 希望激励波长在可见光或邋缎外区，这一波段上光源技术成熟，价格也低 廉。 最简单的荧光传感机理是测量某一固定波长上的荧光强度。另一类可 用于气体豹荧光话感器是蒸予气体对荧光辐射“渤态熄灭”。被测擞秘荧光 耱震懿受激态俸逶，导致荧瓷强覆静降蒸露荧必卷命豹臻短。英荧蹩疆菇 可用新德恩一沃尔玛( s t e r n - v o l r n e r ) 方程来描述，明 善：三：k + c ( 1 - 1 ) ，of o 式( 1 一1 ) 中：j 、厶、r 、分剿为有和没有熄灭物质辩的荧光强度翻潜翕； e 兔被溯气薅兹滚疫；鬈为s t e r n - v o l m e r 豢鼗。 从戏( 1 1 ) 可见，无论测瀵荧光辐射的强度逐蹩寿命，均可戳褥潮气体 的浓度倍息。相对来说，茨光寿命的测量比较复杂，但不会受染料浓度变 化的影响，光源光强的变化也不会影响测量结聚。测量荧光寿命通常有脉 冲时延法鞠相移法2 种方法。限铡荧光气体传感的主要因素是信罨微弱， 蓬餐检溅系统复杂，霾瑟系绫成本较毫。 ( 4 ) 絷料指示剂型光纾气体传感嚣一蛰气体在石英光纤低损耗簿口 内没有较强的吸收峰，或者鼠有吸收峰但相应波长的光源或检测器不存在 或太昂贵，解决这些问题的方法之一是应用染料指示剂作为中间物米实现 9 燕山大学工学硕士学位论文 间接传感。染料与被测气体发生化学反应，使得染料的光学性质发生变化， 利用光纤传感器测量这种变化，就可以得到被测气体的浓度信息。最常见 的染料指示剂型光纤气体传感器是p h 值传感器，一些染料指示剂( 如石蕊 或酚红试纸) 的颜色会随着p h 值的变化而变化，引起对光的吸收的变化。 通过测量某些气体浓度变化带来的p h 值变化，分析气体的浓度信息。 不少气体( 如氮气，二氧化碳等) 的浓度可以通过测量相应溶液的p h 值 来确定。其优点是体积小，结构简单。缺点是鉴别性差，难以作为气体鉴 别的唯一依据。作为成本低廉的一类传感器，近年来它的发展主要集中在 选择新的染料指示剂，研究新的传感探头。 ( 5 ) 折射率变化型光纤气体传感器利用某些材料的体积或折射率对 气体敏感的特性，将之代替光纤包层或涂敷于光纤表面，通过测量折射率 变化引起的光纤波导参数( 如有效折射率、双折射和损耗的变化) ，一般用 光强检测或干涉测量手段可以得到气体浓度。原理上是利用气体引起的折 射率或光程的办法引起干涉，形成m i c h e l s o n 干涉仪、m a c h - z e h n d c r 干涉 仪、f e b r y p e r o t 干涉仪等。通过测量干涉仪输出光强度的变化来得到气体 的浓度信息。图1 2 是种利用单模光纤测量气体的m a c h - z e h n d e r 干涉仪。 测量臂单模光纤的包层被剥去，在其表面涂上一层对气体敏感的聚合物。 气体与测量臂上的聚合物发生作用改变单模光纤的有效折射率，从而在两 臂的光信号之间形成一个相位差毋，使得测量输出光强成为相位的函数， 可以通过相位检测来检测气体浓度。 测量臂高分子层 图1 - 2 基于m a c h - z e h n d e r 干涉仪的光纤气体传感器 f i g 1 2 0 l o t i cf i b e rg a ss e n s o rb a s e do nm a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r ( 6 ) 多点复用型光纤气体传感器光谱吸收型光纤气体传感器的理论 与技术已l 经相当成熟，最方便可靠的光源是分布反馈式( d f b ) 激光器，在 1 0 第1 章绪论 通信波段的d f b 激光器由于市场需求大，可进行批量生产，成本下降很快。 但在气体传感波段，不同的气体有着不同的吸收峰，需要不同的d f b 激光 器或其他可调谐激光器，使整个系统成本居高不下。光纤气体传感器与激 光气体光谱检测技术相比，一个重要的优势就是易于实现复用，利用光纤 局域网技术，把多个传感器连成一个复杂的传感网络。大气污染检测和工 业过程控制都要求多点，而且由于大量降低了连接光纤的数量，复用简化 了系统光源以及信号检测处理系统，因此系统可靠性也大大增强。 光纤传感器的复用按其工作原理可分为时分复用t d m ( t i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x e d ) ，频分复用f d m ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x e d ) ，码分复用 c d m ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x e d l ，波分复用w d m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x e d ) 以及串连的光时域反射o t d r 等技术。从网络拓扑结构来说可 分为星型网络，环形网络，梯形网络，树型网络及线性阵列型网络等。光 纤传感器的复用技术利用了已经研究数十年的光纤局域网技术，从基本原 理上，大部分技术已经成熟，由于光纤传感技术为满足不同的应用要求， 工作原理，实现方案千差万别。 以上是光纤气体传感器的简单分类，实际上某些气体传感器可能是几 种类型的组合。光谱吸收型光纤气体传感技术结合现代光纤技术，将光谱 分析技术应用于工业现场，同时利用光纤的特点，使光谱分析技术在探测 灵敏度、远程遥测、多点网络化测量方面有一个飞跃。与其他的光纤气体 传感器相比，基于气体吸收谱测量的光谱吸收型气体传感器具有相当高的 测量灵敏度，极高的气体鉴别能力，响应速度快，抗温度、湿度等环境干 扰能力强，简单可靠的气体传感探头( 气室) ，以及易于形成网络等优点， 是目前最有前途的和接近实用化的一种光纤气体传感技术。结合本课题的 实际情况，考虑到系统适用的环境是易燃易爆的恶劣条件，拟采用近红外 光谱吸收式光纤气体传感方法对甲烷气体进行测量。 1 4 吸收式光纤气体传感器的研究现状 吸收式光纤气体传感技术是光谱分析技术与现代光纤技术相结合的产 物，它将以前主要用于实验室气体分析的光谱分析技术发展为对气体的在 燕山大学工学硕士学位论文 线监测仪器。利用光纤的特点，使光谱分析技术在探测灵敏度，远程遥测， 多点网络化测量方面有一个飞跃。 由于气体吸收反应了气体分子或原子的各种可能的能级之间的跃迁， 可以直接给出气体分子的结构信息，因此可以用来鉴别不同的气体种类。 许多工业或环境气体如甲烷、丙烷、乙炔、二氧化碳、氨气等在中红外波 段( 2i t m - 10 “m ) 有本征吸收，这个波段远远超出了石英光纤的透射窗口( 0 8 p _ m - 1 7r t m ) ，所以在吸收型光纤气体传感器中，一般利用气体在石英光纤 透射窗臼内的较弱的泛频吸收线，尽管这类泛频谐波谱的吸收远小于本征 吸收，但由于光纤对这些波长的衰减极低，只要探测系统的灵敏度相当高， 就可以得到很好的检测结果 6 】。 国外发达国家对吸收式光纤气体传感技术的研究起步较早。最早用光 谱吸收式光纤传感技术进行气体浓度测试研究的是日本t o h o k u 大学的h i n a b a 和k c h a n 等人，在光纤透射窗口波段范围内，作了一些气体传感的 基本研究。1 9 7 9 年，他们提出利用长距离光纤进行大气污染检测【7 1 。1 9 8 1 年，他们又报道了光纤二氧化氮气体的检测实验。利用二氧化氮在4 0 0n n l 和8 0 0n n l 处的较宽吸收峰，用l e d 作光源进行二氧化氮的直接吸收测量。 与此同时，他们还进行了光纤化的甲烷气体浓度测量实验研究。1 9 8 3 年， 他们用l e d 作为宽带光源，配合窄带干涉滤光片，对甲烷在1 3 3 1 2 姗附 近的q 线进行检测【8 】，在这一系统中的气室长度为0 5m ，传输光纤为1 0k m 长的多模光纤，接受元件采用干冰和甲醇混合制冷的锗探测器，系统最小 可探测灵敏度为2 5 l e l ( 气体爆炸下限) 。其后，1 9 8 5 年，h i n a b a 和k c h a n 及hi t o 等人又用i n g a a s 材料l e d 作为光源去对准甲烷在1 6 6 5 4n n l 处的谐波吸收峰，采用同样的系统，由于在1 6 6 5 4n l n 处的谐波吸收峰吸 收强度较1 3 31 2 岫处大一倍，因此系统最小探测灵敏度提高了一倍嘲。 另外，该研究所也对一些可燃易爆的有机分子气体如c 3 h 8 、c 2 1 4 4 、c 2 h 2 、 c 2 h 6 和c 4 h 1 0 的光纤远程测量进行了实验。 1 9 8 7 年，j p d a k i n 和c a w a d e 等人报道了一种利用梳妆滤波器和 宽带光源( l e d ) 澳j 量甲烷气体浓度的方法。这种方法适合于甲烷和乙炔等 具有梳妆吸收峰的气体。宽带入射光可覆盖一族气体吸收峰，通过气体吸 1 2 第1 章绪论 收后，光谱被调制为梳妆，一般来说，气体吸收引起的输出光功率变化的 大小决定了系统的测量灵敏度。由于气体吸收峰很窄，吸收强度小，因而 相对光功率的变化也小，测量精度不高。利用一个和气体吸收峰相匹配的 梳妆滤波器，气体吸收引起的相对输出光功率变化将会大大提高，检测效 率可得到改善，测量灵敏度也有近十倍的提高【l 们。 由于看到了探测可燃气体如甲烷等的巨大的商用前景，许多公司也加 入到光纤气体传感的研究上来。八十年代末到九十年代初，一系列传感用 的分布反馈式( d f b ) 激光器己研制出来，光纤气体传感精度又有了提高。 1 9 8 8 年，a m o h e b a t i 和t a k i n g 用1 3 3g m 的i n g a a s p 多模激光器测量 甲烷气体浓度，采用波长差分吸收法，室温下可以测量最小灵敏度可达 1 0 0 0p p m m 。1 9 9 0 年，h t a i 和k y a m a m o t o 等利用1 6 6k t m 单模分布反 馈式( d f bl d ) 半导体激光器】，采用了波长( 频率) 调制的谐波检测方法， 室温下检测甲烷气体浓度，最小可探测灵敏度可达2 0p p m 。这一系统将可 调谐半导体激光光源( d f bl d ) ，波长调制谐波检测和光纤技术结合起来， 获得了很高的探测灵敏度。在以后的很长一段时间内，沿着这种技术方向， 又有一些光纤气体探测系统被报道出来。d f b 激光器可检测的气体种类也 越来越多。 1 9 9 2 年，h t a i 给出了采用两个d f bl d 光源组成一个复合光源，在 同一个光纤传感系统中同时测量甲烷和乙炔的实验系统。这个系统传输光 纤长4k r a ，气室长1 0c m ，检测系统采用波长调制的谐波检测技术，甲烷 的最小可探测灵敏度为5p p m ，乙炔的最小可探测灵敏度为3p p m ，气体 间的串扰很小，可以忽略【12 1 。这是一种传感器的复用方法。vw e l d o n 在 1 9 9 3 年和1 9 9 4 年分别报道了采用一个1 6 4 岫可调谐d f b 激光器同时测 量甲烷和二氧化碳以及一个1 5 7 岫可调谐d f b 激光器同时测量硫化氢和 二氧化碳气体的实验研究 1 3 , 1 4 1 。系统最小探测灵敏度都优于l op p m 。 在窄带光源用于气体传感取得高灵敏度的同时，宽带光源系统也有一 些突破。1 9 9 3 年，靳伟博士和gs t e w a r t 报道了用宽带光源结合可调梳状 滤波器的波长调制谐波检测技术。通过对甲烷气体的检测，最小探测灵敏 度为2 0p p m ，达到热光光源的理论极限【l “。 燕山大学工学硕士学位论文 此时，为了光纤气体气体传感技术的工程应用，人们更加关注气体传 感的噪声分析。通过对谐波检测技术的分析，有人提出了优化谐波检测技 术参数的方法。靳伟博士和gs t e w a r t 对气体传感中相干噪声的来源及消 除方法进行了深入的研究。其中gs t e w a r t 建立了光纤气体传感头端反射 噪声的模型，而靳伟博士则提出了光纤气体传感系统中反射相干信号的更 普遍模型，并且给单点气体传感器做了比较全面的噪声误差分析，给出了 理论极限。 但是恰恰是过高的成本，使得光纤气体传感技术难以应用到工业中去。 人们开始研究如何利用光纤巨大的带宽和易于成网的特性进行多点光纤气 体传感。采用合适的光纤复用技术，使得多个光纤气体传感探头共用同一 个激光光源或者同一套信号处理设备，成本可以大大降低。 1 9 9 8 年，英国s t r a t h c l y d e 大学的gs t e w a r t 报道了一套利用空分复用 方式工作的多点光纤气体传感系统。原理比较简单，相当于多套光纤气体 传感系统共用一个光源。实验结果显示在复用数量不多的情况下，它的精 度与单点系统相当。但是它要用多个光检测器和信号处理设备，因此成本 降低空间有限，没有达到最佳性价比。1 9 9 9 年，香港理工大学的靳伟博士 对t d m 技术用于光纤气体传感进行分析，给出了一个理论模型，对复用 数量和灵敏度作出了理论预测。其后，他的学生h o i ，实现了一套t d m 复 用的多点光纤传感系统，实验结果与理论预测相符合。到2 0 0 0 年，m i h a z a v r s n i k 报道了基于相干复用的串联光纤气体传感复用系统。这可以说是 目前多点光纤气体传感网络的最简单结构，但是由于串联系统本身固有结 构的限制，这个系统的各传感单元串扰复杂，测量数目以及测量灵敏度都 不是很高【j 叫。 国外对基于光谱吸收式光纤气体传感方面进行了大量研究，形成了比 较有效的方法，但由于成本和工艺等问题，形成光纤气体测量仪器方面的 报道很少。 国内吸收型光纤气体传感方面的研究起步较晚，始于8 0 年代末。基于 d f b 激光器的成本因素，国内吸收式光纤气体传感器的研究主要还是以 l e d 作光源。 1 4 第1 章绪论 1 9 8 9 年，西安光机所郭栓运等在应用光学杂志上介绍了差分光谱光纤 气体传感器的基本原理，列举了一些具体应用实例【l7 1 。 1 9 9 7 年，山东矿业学院的曹茂永等对吸收光谱式光纤瓦斯传感器的参 数设计进行了探讨。在简述光纤瓦斯传感器原理的基础上，利用差分吸收 法消除光源不稳定及光电器件的温漂、时漂对测量准确度的影响，并介绍 了采用函数拟合和线性插值进行线性校正 1 8 。 1 9 9 8 年报道了大连理工大学刘文琦等，用1 3 1g m i n g a a s p 型l e d 作 光源对甲烷气体进行了光纤传感研究。为了获得更大的光强变化量，他们 在气室中采用了纳米级多孔透射膜，来增加气体的传感长度，增加检测灵 敏度，从而使光纤传感器对甲烷有较高的灵敏度、选择性和可逆性垤】。 2 0 0 0 年，浙江大学叶险峰博士用中心波长为1 3 肛m l e d 作光源，配 合闪耀光栅对c h 4 气体进行了检测实验，检测灵敏度为1 3 0 0p p m m 。同时 对分别用分布反馈激光二极管、垂直腔面发射激光器以及其他单频器件做 光源的激光气体传感方法进行了研究实验 2 0 1 。 2 0 0 1 年，吉林大学的王一丁等基于朗伯比尔吸收定律，设计了具有 新型光路和电路结构的便携式红外c h 4 气体检测仪。该仪器具有智能化、 低功耗和低成本等特点，可以应用于矿山、冶金、化工、石油、机械等工 业和环境保护中【2 l 】。 2 0 0 3 年，武汉理工大学的刘泉教授等基于乙炔气体的光谱吸收特性， 提出了种带有参考通道的光纤乙炔气体在线实时检测系统。该系统采用 l e d 做光源，i n g a a sp i n 二极管作为光电探测器【2 2 1 ，在设计过程中采用 t x 2 光源、双光路、双气室结构，并给出了该乙炔光纤气体浓度检测系统 实验结果。 1 5 课题研究的目的和意义 随着世界采矿业的发展，煤矿井下安全越来越引起人们的关注，特别 是由于井下瓦斯爆炸而引起的安全事故，使人们更加重视这一安全问题。 人们采用各种技术手段，设计能在线实时快速检测甲烷气体浓度的仪器和 设备。因此，本课题的研究是符合国民经济发展的需求的，光纤甲烷气体 1 5 燕瘙丈学工学矮学佼论文 传感器及其检测系统的研制和开发具有广阔的市场应用前景f 2 引。 本课题提出用光谱吸收型光纤气体传感技术和现代微弱信号检测技术 及计辣机处理技术相绪仑，研肯4 一种全光野甲烷气体浓度监测仪，它的研 蠢成功劳投入使用，为我匿大气污染现场袋群分耄蓐和在线连续簸溅提供了 藏滚健数据资料帮精薅豹定量数撵，嚣融魄为戳嚣逶一步骚究黧产纯、多 参数污染监测仪器及系统打下基础，由予光纤频带宽和传输信息容量大等 优点，能实现一机多用，与现代电子技术栩结合可以分辨气体种类，并同 时测最多种气体浓度。因此，本研究具有较大的科学价值，对发展我国科 学仪器产避有促进作髑，丽时也具有重要的现实意义和应用裁嫩【