（物理电子学专业论文）瓦斯气体检测中全光纤梳状滤波器研究.pdf

中文摘要 中文摘要 光纤气体传感技术是一门新兴的前沿学科 在工业生产 环境监测和医学等 领域有广阔的应用前景 近年来 随着光纤传感技术的发展 光纤气体传感器的 研究在国内外均受到广泛重视 光纤气体传感器测量信号的载体是光波 对被测 环境干扰小 特别是其传感头不带电 本质防爆的特点 可适用于易燃易爆气体 的工业在线检测 本文以瓦斯为目标气体 研究基于近红外光谱吸收方法的全光纤检测系统 该系统可以对瓦斯气体进行实时在线检测 通过分析和比较多种气体浓度检测方 法 根据系统的测量要求和应用环境 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瓦斯气体在近红外吸收谱线的研究 考虑到传输光纤的低损耗特性 确定了瓦斯气体的强吸收谱线 以s l e d 作光源 以光谱吸收法为理论基础 结合多光束干涉相关理论 设计了一种全光纤f p 梳 状滤波器 提高了灵敏度 可实现对瓦斯气体的浓度检测 在本课题的研究中 侧重于气体检测理论分析 方案设计和可行性分析 设 计了光路 电路 并进行了部分相关实验 通过资料查阅 理论分析和系统模型 设计等工作 作者认识到 光纤气体浓度检测 涉及到的理论是多学科的 有着 很深的内涵 要设计一个好的气体检测系统 还有很多实际要做的工作 本论文 研究并给出了基本的瓦斯气体浓度检测系统的基本模型 为今后高性能光纤气体 传感器的研究和研制打下坚实的理论基础和提供积极的参考价值 关键词 光纤气体传感器 光谱吸收 瓦斯气体 梳状滤波器 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p t i c a ln b e rg a s e ss e n s i n gt e c h n o l o g yi san o v e ld i s c i p l i n e w h i c hh a saw i d e a p p l i c a b l ep r o s p e c t i ni n d u s t r i a l p r o d u c t i o n e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n ga n dm e d i c a l s 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 fo p t i c a lf l b e rs e n s i n gt e c h n o l o g y t h e r e s e a r c ho fo p t i c a l6 b e rg a ss e n s o r sh a sb e e ns e r i o u s l y 陀g a r d e da l lo v e rt h e v 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 l6 b e rg 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 sa s m a l li n t e r 危r e n c eo ns u r r o u n d i n g s w i t ht h e i rq u a i i t i e so fn oe l e c t r i c i t yo ns e n s eo 唱a n a n db l a l s tp r o o fi ne s s e n c e t h e yc a nb eu s e da so n l i n ed e t e c t i o no ff l a m m a b l ea n d e x p l o d i n gg a s e si ni n d u s n y i n 也i sp a p e r m e t l l a n ei su s e da sar e s e a r c h s a n l p l e t l l l ep a p e rd e s i g n sa n 甜1 o 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 m u da b s o 叩t i o ns p e c t l l j mm e t h o d t h es y s t e mc a nb eu s e di nr e a l t i m em e a s u r e m e n to ft h em e t h a n eg a s b y a n a l y z i n ga n d c o m p a n gw i t hm a n yg a sm e a s u r em e t h o d sa n da c c o r d i n gt ot h en e e do fm e a s u r e p r e c i s i o na n dw o r kc o n d i t i o no f t h es y s t e m w ec h o o s es p e c t m ma b s o r p t i o nm e t h o da s t h et h e o r e t i c a im e t h o d a r e rs t u d y i n gn e a r i n f h r e ds e l e c t i v i t ya b s o 叩t i o nt h e o r yo ft h e g a sa n dm e t h a n eg a sa b s o 叩t i o ns p e c t m mi nn e a 卜i n 行a r e df i e l d c o n s i d e r i n ga b o u tt h e a n e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h et r a j l s p o no p t i c a l6 b e r t h es t r o n ga b s o 叩t i o ns p e c t m mo f m e t h a n eg a si sc o n f i m l e d u s i n gs l e da st h el i g h ts o u r c e s p e c t n l n la b s o 叩t i o nm e t h o d a st h et h e o r e t i c a l p r i n c i p l e c o m b i n e dw i t ht h e m u l t i p l eb e a mi n t e r 传r e n c ea n d i n t e 玳l a t e dt h e o r i e s w ed e s i 印a na l l o p t i c a l 硒e rf pi n t e r i e a v e rw h i c he n h a n c et h e s e n s i t i v i t ya n da c h i e v et h em e a s u r eo 九h ec o n s i s t e n c yo ft h em e t h a n eg a s d u r i n gt h ed e v e i 叩m e n to ft h i sp r o j e c t t h ea u t h o rh a sb e e nm a i n l ye n g a g e di nt h e t a s ko ft h e o r e t i cr e s e a r c h s c h e m ed e s i g na n df e a s i b i l i t ya n a l y s i sf o r g a sc o n c e n t r a t i o n d e t e c t i o n i m p l e m e n t a t i o no fd e t e c t i o nc i r c u i t a n d e x p e r i m e n t o ft h e o r e t i c d e m o n s t r a t i o na r ea c h i e v e m e n t so ft h ew h o l er e s e a r c h 盯o u p t h ea u t h o rh a sa s s i s t e d t h er e s e a r c hg r o u pl e a d e rt o c q m p l e t em a n yp o s i t i v ea s s i g m e n t s f r o mt h es t a r t i n g i n v o l v e m e n tt om a t e r i a ln n d i n ga n ds y s t e mm o d e ld e s i g n t h ea u t h o rh o l d sa no p i n i o n t h a to p t i c a ln b e rg a sc o n c e n t r a t i o nd e t e c t i o nr e l a t e st om u l t i d i s c i p l i n a r yk n o w l e d g e i n o r d e rt od e v e l o pab e n e rd e t e c t i o ns y s t e m t h e r ea r es t i l lai o to fp r a c t i c a lw o r k st o a b s t r a c t a c c o m p l i s h t h ep r e s e n tp a p e ra d v a n c e st h eb a s i c s y s t e mm o d e lo fm e t h a n eg a s c o n c e n t r a t i o nd e t e c t i o n hh a sp l a y e das o l i df 0 u n d a t i o na n dp r o v i d e dav a l u a b l e r e f e r e n c ef o rt h er e s e a r c ho fh i g h p e r f o r m a n c eo p t i c a lf i b e rg a ss e n s o f 洫t h em u f e k e yw o r d s o p t i c6 b e rg a ss e n s o r s p e c t r u ma b s o r p t i o n m e t h a n eg a s i n t e r l e a v e r 黑龙江大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 掘我所知 除了文中特别加以标注和致谢魄地方外 论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得墨蕉堑太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料 一一十 学位论文作者签名 蛮献 签字日期 2 刀扩年 学位论文版权使用授权书 日 本入完全了解墨蕉江太堂有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本 人授权墨蕉廷态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存 汇编本学位论文 学位论文作者签名 签字日期 2 口g 年石月7 日 学位论文作者毕业后去向 导师签名 叶弓2 r 一 签字日期 2 卯孑年厂月7 日 工作单位 牟易赫 面鸿荔i 两坳习电话 膨易够罗缈y 3 通讯龇廊t 乞功涛拟琊 厘哆口锄 f 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言一 伴随着世界经济的迅猛发展 生态环境也遭到了严重的破坏 环境污染问题 正日益成为人们亟待解决的生存问题 解决环境污染问题需要多方面协同配合 科技进步 能源替代 减少排放等 而光纤传感器由于在环境科学领域显示出无 可比拟的优势1 1 2 如体积小 结构简单 灵敏度高 响应速快 防电磁干扰 适 用于易燃易爆恶劣环境 易于现场实时多点遥测等 引起人们越来越多的重视 应用于多个领域 其中也包括瓦斯气体浓度的测量 在我国 随着工业化的迅速推进 环境污染问题也目益严重 其中大型动力 工厂和矿业部门所排放的大量易燃 易爆 有毒 有害气体是环境污染的重要源 头之一 而瓦期则是这些有害气体中重要的一个组成部分 它不仅破坏了生态平 衡 还对大气 水等造成严重的破坏 要减轻其对环境的破坏程度 不仅要限制 这些污染企业的排放和生产 还要注意从技术上提升这些污染物质的排放纯度和 密度 因此 对这些气体进行现场快速实时监测 遥测 及时掌握事故及污染发 生和发展实况 对其进行现场快速监测 进行有效控制 这种具体的技术改进对 于工矿企业安全生产和环境包含具有重要意义 研究各种气体的检测方法与气体 传感器作为传感技术发展领域的重要课题 是此项改进的重要内容与关键点 甲烷是矿井瓦斯主要成分 约占8 3 8 9 i 引 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的5 0 以上 我国煤矿安全生产状况与世 界主要产煤国相比 差距较大 重大事故多 1 9 9 6 年我国煤矿发生一次死亡3 人 以上的瓦斯爆炸事故4 4 6 起 死亡3 0 6 2 人 约占煤矿事故总死亡人数的6 2 5 仅2 0 0 3 年3 月到5 月这三个月中 我国共发生了五起煤矿瓦斯爆炸特大事故 造 成2 3 2 人死亡 给国民经济 人的生命安全造成巨大损害 成为实现安全生产的 最大障碍和困扰煤矿安全生产的重大难题1 4 瓦斯也是天然气 沼气和多种液体燃 料的主要成分 是重要的工业原料和日常生活的燃气 在大气中的爆炸下限为 黑龙江大学硕士学位论文 5 3 1 5 6 l 上限为1 5 o 同时也被认为是温室效应最主要的气体之一 据报道瓦 斯气体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 气中瓦斯气体的浓度每年大约以1 的速度增长 及时 准确地检测瓦斯气体的产 生源 泄漏源及浓度 对于工矿安全运行 人身安全及环境保护有着十分重要的 作用 基于此本文将以可应用于光线传感的光纤f p 滤波器为研究对象 利用光谱 吸收理论讨论其可行性 以期对瓦斯气体浓度测量提供一条解决路径 1 2 课题研究的目的和意义 我国人口众多 矿产丰富 矿业生产中 实时监测瓦斯气体含量 防止其爆 炸是一个重大课题 在大气中的爆炸下限为5 3 上限为1 5 o 为了有效的检 测与控制事故与污染 必须设置能在线实时快速检测瓦斯气体气体浓度的仪器和 设备 早在十多年前有关管理部门领导和专家就提出急需解决这方面的技术问题 的建议和要求 因此 该课题的研究和开发是符合国民经济发展的需求和适时的 监测瓦斯状态的光纤传感器及其系统的研制与开发有着广阔的市场前景 本文用光谱吸收型光纤气体传感技术和平行平板多光束干涉基本原理相结合 的方法 研制一种全光纤瓦斯气体浓度监测仪 它的研制成功并投入使用 为我 国大气污染现场采样分析和在线连续监测提供了前沿性数据资料和精确的定量数 据 同时也为以后进一步研究国产化 多参数污染监测仪器及系统打下基础 由 于光纤频带宽和传输信息容量大等优点 能实现一机多用 与现代电予技术相结 合可以分辨气体利一类 并同时测量多种气体浓度 因此 本研究具有较大的科学 价值 对发展我国科学仪器产业有促进作用 同时也具有重要的现实意义和应用 前景l7 1 本论文的研究目标 分析光谱吸收型光纤气体传感器的原理 特性及工作特 点 设计出基于s l e d 光源的可用于瓦斯气体测量的光纤f p 滤波器的硬件系统 和光路 对本系统的可行性进行实验论证 确定最佳的系统参数来测量瓦斯气体 的浓度 提出影响系统性能指标的原因 并给出相应建议 要求滤波器具有自由 第1 覃绪论 光谱区对应瓦斯气体吸收谱线 谱线宽度小和插入损耗小等特点 1 3 气体传感器 气体传感器是利用被测气体的物理化学性质来检测气体的 分为物理性和化 学性两种 物理性的传感器是通过电流 电导 光的折射率等物理量的变化来检 测 而化学性传感器是通过化学反应 电化学反应引起的物理量的变化来检测的 下面论述各类传感器的具体情况和存在的问题i8 1 1 3 1 半导体气体传感器 半导体气体传感器是利用气敏元件同气体接触 使半导体的性质发生变化 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 瓦斯 有较高的检测灵敏度 体积小 结构简单 成本低 使用方 便 1 电导式传感器传感器保持一定的温度 当待测气体接触传感元件后 在 传感元件表面形成吸附 使其电导率发生变化 待测气体浓度与传感元件的电阻 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 高浓度范围测量精度不高 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 电导率和热导率变 化 使传感元件的温度变化 由此来检测气体的浓度 此类传感器稳定性好 通 常组成惠斯登电桥来检测 3 氧化锡气体传感器氧化锡掺杂不同 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 现可燃性气体 如c h c o 等 的漏气报警 4 氧化锌气体传感器也可通过掺杂改变 来检测不同的气体 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 黑龙江大学硕士学位论文 1 3 2 电化学式气体传感器 1 定电位电解传感器通过隔膜将扩散吸收剂电解液中的被测气体电解 以 此来检测气体浓度 电解作用是在外部加了特定电位的电极表匾进行的 只要测 定加在电极上的电位 即可洲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 电解液不好保持 2 伽伐尼电池式传感器 通过测量被测气体的电解电流来测量气体浓度 1 3 3 红外吸收气体传感器 被测气体与传感器直接接触后 吸收红外线的特定波长 用红外检测器来检 测气体浓度 测量吸收光谱 可知气体类型 测吸收强度 即可知气体浓度 精 度高 选择性好 1 3 4 固体电解质气体传感器 利用吲体电解质的氧离子导电特性 当元件两侧的氧浓度不同时 形成浓度 差电池电动势不同 主要用来分析气体中氧的浓度 1 3 5 燃烧式气体传感器 利用气体成分的反应性 如催化燃烧可燃气体传感器 可燃气体在元件表面 燃烧时温度升高而引起铂丝电阻发生变化 测出可燃气体的浓度 1 3 6m o s 场效应管传感器 在钯m o s 场效应管中 漏极电流j 流过时的最小临界电压值随空气中所含气 体浓度的增高而降低 利用这一特性来检测气体浓度 缺点是气体响应特性受温 度限制 且长期稳定性差 1 3 7 光波导式气体传感器 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导管组 成 当气体接触到染料膜时 它从一种颜色变化到另一种颜色 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 光的损耗则与待测气体浓度有关 第1 章绪论 从而测得气体浓度 波导的透射光强只与染料膜的状态变化有关 当待测气体消 失时 染料膜又恢复到原颜色 因而光波导式传感器重复性好 稳定性好 易于 在恶劣环境下工作1 9 1 1 3 8 光纤气体传感器 光纤气体传感技术是光纤传感技术的一个重要的应用分支 光纤传感器机制 信号调制方式及被测对象等不同角度分类i 1 0 1 根据传感机制的不同 光纤气体传感器也可以被分为功能型 传感型 内作 用型 和非功能型 传光型 外作用型 功能型f f f u n c t i o n a lf i b e r 光纤传感 器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件 将传和感合为一体的传感器 在 这类传感器中 光纤不仅起传光的作用 而且还利用光纤在外界因素作用下 其 光学特性 如光强 相位 偏振态等 来实现传和感的功能 非功能型n f f n o n f u i l c l i o n a lf i b e r 光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化 光纤 仅作为传输介质 传输来自远处或难以接近场所的光信号 从光信号调制方式角度分类 主要有光强调制型 偏振调制型和相位调制型 其中光强调制型在一般工程测量中因结构简单 测量范围大而应用在精度要求不 太高的场合较多 而在对测量精度要求较高的场所则采用偏振和相位调制型 近年来 它在环境监测 电力系统以及油田 矿井 辐射区的安全保护等方 面的应用受到广泛重视 在强电磁干扰环境中对易燃易爆气体的监测更能显示其 优越性 1 4 光纤传感发展概述 光纤传感技术是一项正在发展中的具有广阔前景的新型高技术 由于光纤本 身在传输信息过程中具有许多特有的性质 如光纤传输信息时能量损耗很小 给 远距离遥测带来很大的方便 光纤材料性能稳定 不受电磁场干扰 在高温 高 压 低温 强腐蚀等恶劣环境下保持不变 所以光纤传感器从问世到如今 一直 都在飞速发展i l l 光纤传感器就是利用待测物理量对光纤内传输的光波参量进行调制 并对被 黑龙江大学硕士学1 立论文 调制过的光波信号进行解调检测 从而获得待测量的一种装置 也就是利用光导 纤维在媒质中光的偏振状态 相位特性 干涉特性 光强等变化来检测各种物理 量的仪器 光纤在气体传感技术中的应用 根据其传感机制的不同 一般分为两大类 一类是光纤在传感系统中只起到传输光波的作用 而探头为除光纤以外的换能器 这类气体传感器一般称为传光型气体传感器 另一类气体传感器中 光纤 有 时需要经过一定的加工 即具有光波导作用 同时它还有气体探头的作用 待测 气体引起光纤中传输的光波场的变化 通过检测该变化达到气体传感的目的 这 类传感器一般称为传感型光纤气体传感器 在国外文献中 这两类不同传感机制 的传感器分别称为外作用型 e x t n n s i ct y p e 和内作用型 i n t r i n s i ct y p e 光纤气 体传感器 内作用型光纤传感器是利用待测气体与光纤 有时需要少许附加结构 中传 输光场的相互作用来实现气体传感的 它的传感机制取决于不同气体固有的与光 波不同的相 瓦效应 也就是说 这类传感器的传感机制随不同的气体而不同 最早见诸文献的内作用型光纤气体传感器是光纤氢气传感器 它利用金属钯 p a l l a d i u m 在不同浓度的氢气中物理尺寸发生相应变化完成氢气传感任务 将 金属钯蒸镀于光纤干涉仪的信号臂上 利用光相位检测技术 检测光波由金属钯 物理伸缩而导致的光相位变化 可以间接得到氧气浓度 光纤消逝场 e v a n e s c e n tf i e l d 气体传感器是 种颇有前景的气体传感方法 曾经报道过波长 在3 3 9p m 处利用消逝场原理的光纤瓦斯气体传感器 由于光纤 在这一波长处的传输损耗极高 传感器的光路不超过3m 检测浓度限制在2 数 量级 这种方法提出了表面污染所带来的严重j 口j 题 如何补偿表面污染的影响是 这种传感器目前所面临的主要技术难题之 内作用型光纤气体传感器另外两种方法是光纤荧光传感 佗1 和多孔光纤气体传 感 p o r o u sf i b e rg a ss e n s i n g 技术1 1 3 j 前者是通过测量与其相应的荧光辐射来 确定浓度 被测量的浓度既可改变荧光辐射的强度 也可改变其寿命 因此相应 的传感机理也就可以分为两种 一种是测量荧光辐射的强度 另 种是测量荧光 第1 罩绪论 辐射寿命 可用来检测氧气和氢离子浓度的变化 多孔光纤是利用化学方法在光 纤上形成许多微孔结构 10 0 0 a 数量级 这些微孔结构允许气体样本与光纤中 的光场发生强烈的相互作用 丛而实现多种气体的探测 水蒸气浓度测量是多孔 光纤气体传感器的一个典型应用 这种水蒸气传感器可在o 一5 0 范围内检测空气 或其他环境的相对湿度 响应时间为1 分钟i m l 6 1 对于外作用型光纤气体传感器 光纤仅作为传输介质 只起传输光能量的作 用通过光能与待测气体样本之间相互作用所产生的各种信息或借助于某种换能 器 使得待测气体样本的某个或某些特性得以检测和认知 关于待测气体的相互 作用主要表现为气体样本对光波的红外吸收效应 很多种气体在红外光谱范围内 都存在较强的吸收谱线 有些谱线能较好的与现有的光源及光纤的低损耗传输窗 口相适应 从而使基于气体红外吸收效应的检测技术成为外作用型光纤气体传感 器的主流方向1 1 7 1 9 1 气体对某些特定频率的光能吸收后的效应主要表现为直接吸收效应和吸收后 的热效应 这两种效应将导致不同的传感器形式 下面分别加以简述 通过检测气体对光能直接吸收的强弱可以得到气体的浓度参数 然而光路中 的诸多干扰因素 使得检测直接吸收的方法往往达不到应有的指标 于是人们设 计了许多旨在提高检测灵敏度的技术和方法 这些方法随着光源和相应光器件的 发展而不断的加以改进 在窄谱线光源 指半导体激光器或其他类型激光器 出现以前 人们普遍使 用宽带光源 如白光源 碘钨灯 l e d 等 作为光纤气体传感器的光源 此时红 外分光光度计成为理想的工具 因为宽带光源含有极丰富的光频成分 只有通过 它才能较灵敏的检测出气体在某个特定波长对光能的吸收 另一方面 差分吸收 技术 d a t 则在方法上保证了一定的气体检测灵敏度l2 0 1 声光信号检测是基于气体吸收光能之后的热效应的一种气体浓度检测技术 在封闭气室中 调制过的红外辐射经气体吸收之后能激发出振动声波 这一现象 就是所谓的光一声效应 或称为t y n d a l l r o n t g e n 效应 光一声效应所产生的声波 的振幅直接与入射光强度和吸收气体样本的浓度有关 因此 使用微音器或其它 7 黑龙江大学硕士学位论文 测量声波的换能器拾取所产生的声波信号即可i 日j 接得到吸收气体样本的浓度 很 显然 这一方法的检测灵敏度取决声波换能器1 2 l 22 1 通常 微音器或光纤干涉仪 对声场有着十分灵敏的响应 所以这是一种灵敏度较高的气体浓度测量方法 然 而 在实际应用中 这一方法会受到一些限制 原因是它要求光源的输入功率大 气室的设计更为复杂 另外 它还使探头带电 1 5 研究内容 本文以瓦斯为目标气体 以光谱吸收法为理论基础 结合多光束干涉相关理 论 研究一种新型可用于瓦斯气体检测的全光纤梳状滤波器 并讨论其可行性 第2 章光纤气体传感原理 第2 章光纤气体传感原理 2 1 引言 分子光谱是研究分子结构 分子内部运动及分子之间相互作用的有力工具1 2 3 1 物质分子在不同条件下吸收或发射的光谱的波长 强度 偏振态等情况和该物质 的结构特征有着固有的关系 2 4 1 这种关系可以通过对它的光谱的研究来确定 本课题光谱吸收型光纤气体传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同而不 同的原理制成的 由于各种物质对不同波长 或波数 的红外辐射的吸收程度各 不相同 因此不同波长 或波数 的红外辐射依次照射到样品物质时 某些波长 的辐射能被样品物质选择吸收而变弱 产生红外吸收光谱 故当知道某种物质的 红外吸收光谱时 便能从中获得该物质在红外区的吸收峰1 2 5 1 同一种物质不同浓 度时 在同一吸收峰位置有不同的吸收强度 吸收强度与浓度成正比关系 不同 气体分子化学结构不同 对应于不同的吸收光谱 而每种气体在光谱中 对特定 波长的光有较强的吸收 那么通过检测气体对该波长的光的强度的影响 便可以 确定气体的成分及浓度 2 2 吸收式光纤传感器的工作原理 当光通过某种介质时 即使不发生反射 折射和衍射现象1 2 6 2 7 1 其传播情况 也会发生变化 这是因为光频电磁波与组成介质的原子 分子将发生作用 作用 的结果使光波特性发生变化 主要包括吸收和散射 在我们这种传感器中衰减的 产生主要是因为吸收这一过程 利用介质对光吸收而使光产生衰减这一特性制成 吸收型光纤气体传感器 可用比尔一朗伯定律进行分析 波长为九单色光 在吸 收传播距离上后 其光强为 凡e x p 一c z 吐 2 1 式中 一波长为九的单色光在不含待测气体时透过气室的光的光强 c 一吸收气体的浓度 g 一单位长度单位浓度的吸收系数 o 黑龙江大学硕士学位论文 进一步转化式 2 一1 得 c 占j n 皂 2 2 o cll 当气室中无待测气体时 通过气拳的光经探测器测得其光强为 r 当待测气 体充入气室并达到一定浓度f 后 此气体对光源发出的光有较强的吸收 这时通 过气室的光测得其光强为 于是 与j 的比值 便可以检测气体及浓度1 2 8 图2 1 即光纤气体传感器基本结构示意图 光源发出的光经光接头耦合到入 射光纤中 送至气室后 经出射光纤被光探测器接受并转变为电信号 该信号被 放大器放大后由记录仪记录 图2 1 光纤气体传感器基本结构示意图 f i g 2 1t h es k e i c ho fo p t i c a ln b e rg a ss e n s o r 2 3 分子结构和分子光谱理论 根据分子光谱理论 分子运动可以分解为平动与内部运动 气体分子可以吸 收特定频率的光子而使自己的平移动能 即热能增加 热能的增加在其它条件不 变时和气体浓度成确定关系 分子是由原子组成的 原子又由原子核和电子构成 分子处于无休止的运动当中 这些运动可以分为三种形式 电子围绕原子核分成 若干层不停地转动 原子组成的原子对以不同频率不同方向振动 分子作为一个 整体绕其内部若干轴线作转动运动 这些运动使分子具有不同的能级 即电子能 级 振动能级和转动能级 分子的能级是离散的而非连续的 当分子吸收一定频 率的光子能量后 会从低能级激发到高能级 称为能级跃迁 以分子吸收光波的 波长 或频率 为横坐标 吸收的能量 吸光度或透光度 为纵坐标绘制的图 称为吸收光谱图 简称谱图 2 9 分子吸收光子要满足一定条件的 首先 根据量子力学理论 分子吸收的光 子能量必须恰好等于分子内某两个能级问的能量差业 即满足式 2 3 e 巨一e 2 向v 力c 五 2 3 第2 覃光纤气体传慝原理 只有频率或波长满足式 2 3 的那些光子才能被分子吸收 其次 分子能级跃迁的过程是分子和电磁波交换能量的过程 在分子内部存 在着电偶极矩 电四极矩和磁偶极矩 分乇与光子的相互作用就是通过光子与分 子内部的电矩和磁矩相互作用完成的 相互作用的结果是导致分子电矩和磁矩的 变化 光子和分子相互作用而使分子内部的电矩和磁矩发生变化需要满足一定的 条件 判断这些条件能否满足的依据称为选律 选律不仅决定信号强度还决定允 许跃迁分子吸收能量的数目 即光谱图吸收峰的数目 2 3 1 双原子分子的振转模型 双原子分子的运动可以用转子模型和振子模型来描述 如果只考虑分子的转 动 可以认为两个原子是由长度为厂p 的不变形杆相连并围绕质心转动 这就是刚性 转子模型 如果只考虑原子的振动 可以将两个原子想象成用满足胡克定律的弹 簧相连的质点 并在平衡位置附近振动 这就是谐振子模型 分子的振动转动模 型如图2 2 所示 r i k q 黑龙江大学币页士学位论文 量 最后一项代表振动和转动的相互作用 2 3 2 多原子分子的简正振动 多原子分子的振动远比双原子分子的振动复杂 原因是振动就是分子内原子 核的相对运动 而任意两个核的相对位移也将同时涉及它们与所有其余核的相对 位移 这表明多原子分子的振动将涉及所有核的相对位移 对多原子分子振动转 动运动的分析 可以得出以下结论 1 3 n 6 或3 n 5 规则 原子核的运动导致分子的平动 转动和振动 分析表明 n 个原子核应有3 n 个独立的运动坐标 描述分子的平动需要3 个运动坐标 对于 分子的转动 直线型分子要2 个独立坐标 非直线型分子需3 个独立坐标 所以 用于振动的独立坐标数 非直线型分子是3 n 6 个 直线型分子是3 n 5 这通常就 称为3 n 6 或3 n 一5 规则 2 简正坐标和简正振动简正坐标是用质量加权的位移坐标的线性组合 沿 不同简正坐标进行的振动称为简正振动 3 n 6 或3 n 5 个简正振动常被称为简正 模式 所有实际振动都是它们的线性组合 每个简j f 模式都是简谐振动 它们有 振幅b 和频率v 位相玩要求在简正振动中各个原子的位移都是同相的 简正振 动是不可约的 3 基频 倍频 组频各种简正模式的基本跃迁 即v 0 1 1 跃迁所对应的 频率称为基本频率或基频 如果考虑到分子振动的非谐性 振动也含有频率2 v 3 v 这些频率称为倍频 此外还含有频率v v t 1 一v i 2 1 1 这 些频率称为组合频率 在红外光谱中 除了基频以外 也会出现倍频和组频 不 过 由于非谐性一般是很小的 倍频光谱与组合频 誊光谱跟基频光谱相比要弱得 多 3 0 3 1 1 2 3 3 气体分子的吸收线型和线宽 所谓光的吸收 就是指光波通过介质后 光强度减弱的现象 根据朗伯定律 介质的吸收系数口随光波长的变化关系曲线称为该介质的吸收光谱 有些媒质 在一定的波长范围内 吸收系数口不随波长而变 这样的吸收称为一般吸收 反 第2 章光纤气体传感原理 之吸收系数a 随波长而变的吸收称为选择吸收 气体对入射光波吸收的最主要的特点是 其吸收光谱是清晰 狭窄的吸收线 且吸收线的位置i f 好就是该气体发射光谱线的位置 对于低气压的单原子气体 这种狭窄吸收线的特定表现尤为突出 如果一种气体是由二原子或多原子的分子 所组成 那么 这些狭窄的吸收线就会扩展成为吸收带 吸收带的特征由组成气 体的分子所决定 它反映了分子的特性 气体吸收的一个主要特点是 吸收和气 体的压力温度 密度等均有密切的关系 般是气体密度愈大 它对光的吸收就 也愈强 在实际工作中应考虑这些因素对吸收的影响 例如在激光通讯中 讨论 大气对激光束的吸收时 就要考虑这些问题f 3 2 为了得到气体吸收系数与气体分子吸收能级函数之间的定量关系 假设一个 强度为j 的平面波通过气体 为了推导方便可以认为气体是均匀介质 即气体 浓度c 1 则在路程l 上被吸收的强度由朗伯吸收定律式 2 1 给出 oe x p 一a z 2 5 在光纤气体传感器的设计中 用复折射率j i 来描述气体的吸收 假设入射平 面波为毛e x p j 纠 出射平面波为 e e oe x p f 国 f 一声 j 2 6 式中口 传播常数 彩 平面波角频率 设兄为平面波的真空波长 刀 和七分别为气体折射率的实部和虚部 七 刀 七o 一政 2 7 式中 2 万 a 将式 2 7 代入式 2 6 得到 岛e x p 一启 足 e x p j 缈 一七 刀 毛e x p 2 刀埘 五 e x p m 一意o 7 2 8 由式 2 8 可以看出 复数折射率的虚部七 缈 描述了电磁波的吸收 经过一段 路程 五 2 疵 之后 波振幅降为其初始值的l p 实部门 给出色散 即相速度 f c o 玎 对频率的依赖关系 强度与振幅的平方成比例 比较式 2 8 与式 2 5 可以得出 黑龙江大学硕士学1 立论文 口 4 丌 七 五 2 七o 七 2 9 可见吸收系数口正比于折射率的虚部 光波在通过吸收介质 气体分子 时 由f 电场的作用 将使气体分子发生 极化 如果用阻尼系数为y 的阻尼振予来描述折合质量为 的气体分子的极化过 程 并假定极化电荷为g 由量子力学理论可得介质的折射率 的表达式为 玎2 小丽 浯 式中 为平面光波作用下极化的分子数目 它正比于气体的浓度f 为真空中介电 常数 对于气体介质 当常压下 折射率刀与1 的差别很小 因而可令 玎2 1 1 刀一1 2 刀一1 2 11 将式 2 1 1 代入式 2 1 0 可得 删 瓦高2 o 缈j 一 2 i 2 1 2 拈篆 鬲而 2 1 3 2 岛 一缈2 2 y 2 缈2 驴 等 雨 式 2 13 式 2 一1 4 也称为色散关系 在本征频率 附近i 缈一 i 范围内 上述两个方程式可以简化为 拈去 瓦南 2 1 5 8 c o o 缈 一缈 2 厂 2 2 驴 去 再斋 协 比较 2 9 和式 2 1 5 可得气体吸收系数在本征频率附近对频率的依赖关系 这种 依赖关系可以用洛仑兹 l o r e n t z 线型描述 第2 章光纤气体传感原理 口 4 丌 后 允 a o g o 一缈 2 17 式中口 为常数 口o 砌 g2 2 c s g 缈 一缈 为气体分子在本征角频率国 上的洛仑兹吸收线型 g o 一缈 厂 2 万 缈 一缈 2 7 2 2 2 1 8 实际上g 一 中7 为吸收线型g 一 的半宽度 3 d bf w h 角频率带宽 即如 7 并且eg 一 如 1 洛仑兹吸收线型g 一缈 是在静态阻尼振子 假设下推导出的结果 并具有一定的宽度 吸收分子的热运动以及分子之间的热 运动等会产生附加的多普勒展宽和碰撞展宽 从本质上讲 洛仑兹线型的宽度是 由海森伯测不准原理所决定 分子从能态 跃迁到e 具有v e 和v e 的不确定性 这两部分对线宽都有贡献 由测不准关系式缸 血 力知道 西 c 世 世 枉去c c 2 1 9 式中f 分子在能级e 的寿命 f 分子在能级 的寿命 对于红外光谱因为振动时间很长 f f 一般约为1 0 4 1 0 5 秒 加只有约 1 6 0 胞 一般不易发现这种线宽 这种由激发态寿命决定的线宽称为自然线宽1 3 3 造成分子吸收线展宽主要因素是多普勒效应 分子热运动产生频移 和分子间的 碰撞 导致分子能级寿命的缩短 多普勒展宽可以通过多普勒效应 一甜 d 为气体分子在光波前进方向上的速度 如果砌d 为多普勒展宽的高斯线型的角频率h w h a j 为波兹曼常数 丁为绝 对温度 m 为气体分子的质量 根据热平衡时气体分子的麦克斯韦分布可求得其 线型为高斯线型 g 缈一缈o e x p 一 缈一 6 2 n2 2 2 0 如d 2 l n 2 o 2 七7 m 2 c 2 2 1 多普勒展宽的光谱线实质上并不具有纯高斯线型 这是因为在光波行进方向 上具有速度 的气体分子并不都以同样的角频率 1 一玖 c 发射或吸收光子 黑龙江大学硕士学位论文 由于其能级的寿命有限 围绕着频率 显示出一个洛仑兹分布 因此多普勒展宽 更为精确的线型应是l o r e n t z 线型和g a u s s 线型组成的卷积 即为福赫特 v o i g t 线型 由分子之问的碰撞引起的谱线展宽称为压力展宽 个大气压下的碰撞展 宽约为多普勒展宽的六倍 碰撞展宽的线型为洛仑兹线型 低浓度时 这种展宽 可以忽略1 3 4 l 2 3 4 气体分子吸收谱线的强度分布 气体分子吸收谱线的强弱取决于分子的结构 由吸收系数 口 棚2 2 c s 可以看出 其强度依赖于极化电荷g 和从e 斗e 跃迁时处在 能级e 上的分子数j 7 v 对一定的分子 极化电荷只与分子的本征 简正 态有关 与能级的能量有关 设具有能量e 的一独立系统有j v 个气体分子 每一气体分 子有m 个能级 e e e 对应能级e 有g 个简并度 能级相同 但波函数不 一样 统计中又称为统计权重 和j 个分子 显然有 f j 2 2 2 l i 根据统计物理学 服从b o l t z m a n 分布 即 g z p e 懈 2 2 3 式中z 为配分函数 z g e x p 一巨 后7 z 就是在温度7 时分子所有可能状态的和 起着规范化因子的作用 即在任意 温度丁下 总能成立 只是各能级上的分子数有所变化 从式 2 2 3 可 以看出随着7 1 升高 e 上的分子数将按指数j v 衰减 即有较多的分子将跃迁到更 高的能级上去 另一方面 e 的能量越大 上的分子数也越少 对于线性分子 的本征振动 对称振动能量 非对称振动能量 一1 3 0 7 5 r b w v b w 查看噪声大小 用记号笔将观察到梳状滤波现象的光纤按照现 以便之后实验之用 m k r2 c m k r 2 1 1 5 5 7 8n m 2 78n 带 一2 1 7 7 6d 82 8 3 3d b 皋 a g i i e n tr e f 一4 0 7 5d b m 一 九 n 厂 m 坳 l v i v v v vv n i n r e f 0 0 d b 1 肌 i l yy i j f 1 ij i l l l 叫u v u 灿jn 厂 n n j1 厂 n jv 价 m l f n ir 1厂 i i 炒 u yi y q y f 矿u c9 0 7 p m 0 9n v2 0 0 7 5 0 0 0 d b 3 0 d 0 1 0 0 0 1 0 0 0 d b c i l v f i g 4 1t h en l t e r i n gd i a g r a mo ff f p f 实验中可能会出现多对光纤都没有出现梳状滤波现象 这是由于光纤端面质 量不好影响了实验效果 这时可选择一根现象好的光纤作为参考光纤 分别与其 他光纤组合观察现象 成功率会大大提高 因为一对光纤中有一根镀膜不好 都 不会出现梳状滤波现象 这时很容易将两根光纤都舍弃 本系统f f p f 结构如图4 2 中间光纤波导段长度与f f p f 自由光谱区范围有 如下关系 址等 4 1 因此 一 黑龙江大学硕士学位论文 居 叠虹 2 五 4 2 其中厅为光纤波导段长度 门为腔内介质折射率 五为f f p f 自由光谱区范围 以 厶 为两相邻透射波长 p z t 图4 2f f p f 的结构图 f j g 4 2t h es k e t c ho ff f p f 未接f f p f 时 瓦斯气体吸收前后得到的功率谱如图4 3 所示 一6 7 1 6 d b m 一7 11 6 7 5 1 6 2 0 0 d b 枷v 一7 9 1 6 8 3 1 6 8 7 1 6 r b w v b w 舞 g j i e 嘣 一6 916d b m u 一一 石衍胪 一 1 嘞 r 姆 y 魄 一拶 虬 j 紧 t f 慝 r e f 1 2 7c j f 姆 硫 嗤黼 枞 刖协帆 匆叫 删i j r l rl 嬲f i 1 6 0 0 0 1n m 1 9 4h z n m 1 6 5 0 0 s e n 3 一7 2s 9d b m s t 3 5 03 a v g 0 f f 图4 3 瓦斯气体吸收后的光谱图 i n f i g 4 3t h es p e c t n j ma r e rm e t h a n eg a sa b s o r p t i o n 1 7 0 00 9 2 7 d b 7 2 7 5 2 7 1 0 0 d b 刎v