全光纤传感技术在甲烷气体检测中的应用

全光纤传感技术在甲烷气体检测中的应用

甲醇是各种燃料的主要成分，如矿山砖瓦和天然气。对矿山叶片气体的可靠性、效率和实时监测一直是矿业研究和生产的重点，也是石油、化工和其他行业安全生产的保障。随着工农业的发展及科技的进步,我国许多城市使用天然气作为生活用气,对于甲烷气体泄漏的检测就显得更为重要。目前测量甲烷浓度的方法和仪器有很多种,但都存在着灵敏度低、成本高、稳定性差等缺点。根据这种现状,本文提出了一种基于光谱吸收原理的高灵敏度全光纤甲烷浓度测量系统。光纤气体传感器具有常规气体传感器无法比拟的体积小、重量轻、结构灵活、灵敏度高、抗电磁干扰等优点,因此近几年来备受关注。基于分立元件的光路系统和机械调制方式,由于其本身具有很大的不稳定性,限制了系统可达到的极限灵敏度。所以本文研究了一种检测甲烷气体的全光纤传感方法,根据光谱吸收原理,采用LED宽带光源,通过光纤光栅和压电陶瓷对其进行波长调制,获得窄带出射光,检测二次谐波,实现甲烷气体浓度的高灵敏度测量。1基本原则1.1介质吸收系数c当一束光强为I0的平行光射向充有甲烷和空气的混合气体的气室,如图1所示,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(λ)与输入光强I0(λ)和气体浓度之间的关系为I(λ)=I0(λexp[−α(λ)lc](1)Ι(λ)=Ι0(λexp[-α(λ)lc](1)式中:α(λ)是一定波长下单位浓度,单位长度的介质吸收系数;l是吸收路径的长度;c是气体浓度。如果l与α(λ)已知,那么通过检测I(λ)和I0(λ)就可以测得甲烷气体的浓度。1.2光纤光栅调制基本原理由于宽带光源LED的谱线宽度覆盖甲烷的多个吸收线,而吸收谱线非常的窄,因而经过气室之后引起的光功率变化不明显,灵敏度不会很高。而DFBLD虽然是气体传感用比较理想的光源,但由于其价格昂贵,限制了它的应用。因而通过光纤光栅和压电陶瓷对LED进行波长调制,获得与吸收谱线相适应的窄带出射光以提高灵敏度。光纤光栅是光纤芯区折射率受永久性、周期性调制的一种特种光纤,这种特点,使之在纤内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器。各种波长的光通过光纤光栅时,无插入损耗,透射率极大,只有那些满足Bragg条件的波长的光被强烈地反射,即透射率极小。利用耦合模理论对周期性光栅进行分析,可以推导出光纤光栅的Bragg波长公式:λB=2neffΛ(2)λB=2neffΛ(2)neff为等效折射率,Λ为光栅周期。Bragg反射半值带宽FWHM为Δλ=λB(ΛL)2+(Δnn0)2−−−−−−−−−−−−√(3)Δλ=λB(ΛL)2+(Δnn0)2(3)L为光纤光栅的总长度,Δn为折射率起伏最大值。在λB处的反射率Rmax=tanh2[π⋅Δn⋅LλB](4)Rmax=tanh2[π⋅Δn⋅LλB](4)理论上可以证明经光纤光栅的反射光在中心波长附近近似服从Gauss分布.因此我们用以下的Gauss方程来描述:P(λ)≈P0exp[−4(λ−λB)γ12ln2](5)Ρ(λ)≈Ρ0exp[-4(λ-λB)γ12ln2](5)P(λ)为在波长λ处的反射光谱密度,λB为Bragg中心波长,γ1为反射谱带宽(FWHM),实际的传感系统中使用的光栅参数如下:γ1=0.2nm,光栅总长L=2cm,最大反射率系数R>90%。光纤光栅与光源和耦合器的连接如图(2)所示。采用LED作为光源,利用光纤光栅的反射滤光作用得到窄带的出射光,它的中心波长是Bragg波长。利用压电陶瓷在电场作用下,尺寸发生变化的特性实现对Bragg波长的调制,将光纤光栅粘在压电陶瓷(PZT)上,改变PZT两端的电压,PZT就会带动光纤光栅伸缩,从而改变Bragg波长。LED受恒流驱动,维持不变的功率输出。对PZT施加交变电压,它将带动光纤光栅周期性伸缩。Bragg波长可表示为:λB=λ0+λAcosωt(6)λB=λ0+λAcosωt(6)λ0为中心波长,对应于甲烷气体的吸收峰,设ω为PZT调制频率,λA为调制幅度,λA=λ2-λ1。甲烷分子在1.331μm处的吸收系数如图3所示,可见在对PZT施加交变电压的同时,气体的吸收系数将成周期性变化。这种调制方式使光源波长扫过吸收线的全部,故称为全波长调制。经过光纤光栅反射后,入射到气室的光谱密度为:P(λ)≈P0exp[−4(λ−λ0−λAcosωt)2γ12ln2](7)Ρ(λ)≈Ρ0exp[-4(λ-λ0-λAcosωt)2γ12ln2](7)如果考虑到入射光的谱分布和气体分子的吸收线型以及整个光路的干扰和不稳定因素,设总的耦合系数为η,则Beer-Lambert定律应改写为:I=η∫λNλMP(λ)e−α(λ)lcdλ(8)Ι=η∫λΜλΝΡ(λ)e-α(λ)lcdλ(8)式中λM和λN为有效波长范围,理论上应分别取0和∞,但由于式所描述的Gauss曲线在波长偏离中心波长较大时,光谱密度迅速下降,因此只取优化值。当气体压力接近一个大气压时,红外光谱的碰撞加宽起主要作用。因此可以用Lorentz曲线描述CH4分子的吸收谱线形:α(λ)α01+(λ−λgγ2/2)2(9)α(λ)α01+(λ-λgγ2/2)2(9)α(λ)表示对应波长λ处的吸收系数,λg为对应吸收峰,γ2为带阻尼的电偶极振子的衰减速率。利用近似公式e-αlc≈1-αcl得I=ηP0∫λNλMexp(−4(λ−λ0−λAcosωt)2γ12ln2)*[1−α0lc1+(λ−λgγ2)2]dλ(10)Ι=ηΡ0∫λΜλΝexp(-4(λ-λ0-λAcosωt)2γ12ln2)*[1-α0lc1+(λ-λgγ2)2]dλ(10)调节PZT的直流偏置电压,使得光纤光栅中心波长与气体吸收峰对准λ0=λg,取优化近似值:λM=λ0+λAcosωt−1.5γ,λN=λ0+λAcosωt+1.5γλΜ=λ0+λAcosωt-1.5γ,λΝ=λ0+λAcosωt+1.5γ并进行积分代换令λ′=λ-λ0-λAcosωt,则I=ηP0−ηP0α0lc∫f(λ,ϕ)dλ(11)Ι=ηΡ0-ηΡ0α0lc∫f(λ,ϕ)dλ(11)其中ϕ=ωt,f(λ,ϕ)=exp(−4λ2γ12ln2)⋅11+(λ+λAcosϕγ2/2)2(12)f(λ,ϕ)=exp(-4λ2γ12ln2)⋅11+(λ+λAcosϕγ2/2)2(12)式(12)的积分项包括了基频为ω的各次谐波分量。可以证明式(12)所包含的频率为ω的基波分量为零,即∫π−π∫1.5γ−1.5γf(λ,ϕ)cosϕdλdϕ=0(13−1)∫-ππ∫-1.5γ1.5γf(λ,ϕ)cosϕdλdϕ=0(13-1)又f(λ,ϕ)为关于ϕ的偶函数,所以∫π−π∫1.5γ−1.5γf(λ,ϕ)sinϕdλdϕ=0(13−2)∫-ππ∫-1.5γ1.5γf(λ,ϕ)sinϕdλdϕ=0(13-2)即式中不包含一次谐波又因f(λ,ϕ)sinϕ为关于ϕ的奇函数,所以∫π−π∫1.5γ−1.5γf(λ,ϕ)sin2ϕdλdϕ=0(14−1)∫-ππ∫-1.5γ1.5γf(λ,ϕ)sin2ϕdλdϕ=0(14-1)因此探测器输出信号的二次谐波分量幅值为I(2ω)=−1π⋅ηP0α0lc∫π−π∫1.5γ−1.5γf(λ,ϕ)cosϕdλdϕ(14−2)Ι(2ω)=-1π⋅ηΡ0α0lc∫-ππ∫-1.5γ1.5γf(λ,ϕ)cosϕdλdϕ(14-2)式中的二重积分项为常数,可以利用计算机通过数值积分得到数值解,因此二次谐波量与气体浓度成正比。上式仍然包含光源光强因子,为了消除其影响,可以同时检测光纤光栅的透射光强IR=P0−∫∞0P(λ)dλ=rP0(15)ΙR=Ρ0-∫0∞Ρ(λ)dλ=rΡ0(15)用I(2ω)与IR相除就可以消除光源的影响并提高全波长调制方式的灵敏度。2光纤耦合器气室设计如图4所示,系统由三部分组成。光源产生部分,气室以及信号产生和处理部分。光源产生部分,包括宽带光源LED、单模双向光纤耦合器、光纤光栅及PZT。甲烷分子具有四个基本振动,相对应的波长分别为3.433μm、6.522μm、3.312μm和7.658μm。这些波段处于石英光纤的高衰减区,光源和探测器都需要低温制冷,并且结构笨重,使用很不方便,所以不能广泛应用于光纤气体传感。甲烷气体在泛频带2ν3和组合频带ν2+2ν3的波长分别为1.6μm和1.3μm左右,由于波长在1.6μm光源很难见到,所以采用中心波长为1.31μm的LED作为光源,光谱覆盖很宽。当需要进一步提高检测灵敏度,因而必须增大出射光强时,应采用光放大器,LED本身带有尾纤输出光纤耦合器为2×2双向传输,传输比为50%:50%,因此窄带光信号耦合到气室时,强度将降为原来的四分之一。经过光栅反射从耦合器到气室是窄带的中心波长为1.331μm并且波长连续可调的出射光。系统中,光纤仅作为传光介质,气室是敏感元件。它由输入/输出透镜组成。从光纤中出射的光,经输入透镜准直变为平行光,穿过气室,由另一透镜耦合到输出光纤中。气室设计的主要原则:吸收光程尽可能大,气室中光路的耦合损耗小,耦合状态稳定。如图1(a)所示气室结构,入射光先要经过透镜准直,然后通过气体路径,经过聚焦透镜,再回到单模光纤,因为光路不可能绝对准直,单模光纤的数值孔径有一定的范围,光信号在这里要损失一部分,并且给系统带来干扰。由于涉及到光纤和分立光学元件的耦合问题,准直复杂,温度稳定性、抗震性能也不是最佳。气室设计的选择是应用小型渐变折射率透镜如图1(b)所示,这种透镜器件和光纤匹配性好,可选择带尾纤的变折射率透镜,传输光纤和透镜尾纤可以直接熔接在一起,改善了耦合的稳定性问题。传感系统的信号产生和处理部分,由电气元件和电子电路组成,主要包括:LED恒流驱动,振荡源,PZT的较高电压驱动和控制电路,光电探测器PIN管及微弱信号处理电路,以及计算机采集与处理单元等。从光纤光栅反射的与甲烷气体吸收峰一致的经过调制的光,经光纤传输到测量气室,光能与甲烷气体发生相互作用,然后将携带有用信息的光信号传输到PIN光探测器转换成电信号,经微弱信号处理电路检测到含有浓度信息的二次谐波分量,与光纤光栅的透射光信号相除,消除了光源的影响并提高了全波长调制方式的灵敏度3传感器的响应特性采用图3所示的系统进行实验,气室长度为50cm,采用100m长的石英光纤,在1.3～1.5μm波长范围内的传输损耗低于1dB/km,选择低噪声、高灵敏度的PIN光电二极管作为光电探测器,其波长响应范围在1000～1700nm。采用不同浓度的甲烷与氮气混合气体进行实验,数据如表(1)所示。其中一栏为气体通过气室时,甲烷气体的相对吸收率,即Ir=(I