光譜吸收型光纖氣體感測器

光譜吸收型的氣體感測是最重要的一類光纖氣體感測器。它是利用了氣體在石英光纖透射視窗內的吸收峰, 測量由於氣體吸收產生的光強衰減, 可以得到氣體的濃度。通過標定吸收峰的位置, 可進一步對氣體的種類進行識別。

基本介紹

• 中文名：光譜吸收型光纖氣體感測器
• 類型：光纖氣體感測器

1概述

光纖用於氣體感測有著其他感測器不可比擬的優勢:(1)適合於長距離的線上測量。光纖傳輸損耗小, 可長距離傳輸, 並且光纖體積小, 重量輕, 柔軟可彎折, 化學性質穩定, 因而可將感測探頭放入惡劣或危險的環境, 由光纖將信號引出, 在遠距離安全地帶進行遙控遙測。(2)適合於測量可燃易爆氣體或工作於易燃環境以及在強電磁干擾環境下測量。如對甲烷、乙炔等可燃氣體, 以及高壓線、變電站附近的氣體測量。這是光纖感測器優於電類氣體感測器的重要特點。(3)感測單元結構簡單, 穩定可靠。(4)易於組成光纖感測網路。光纖的巨大頻寬使得它可以傳輸巨量信息, 採用多路復用技術, 可以使多個光纖感測器共用同一根光纖、同一光源和同一信號檢測設備。大大降低系統成本。

光譜吸收型光纖氣體感測器簡介

從本質上說, 所有與氣體物理或化學特性相關的光學現象或特性, 都可以直接或間接地用於光纖氣體濃度測量。光譜吸收型的氣體感測是最重要的一類光纖氣體感測器。它是利用了氣體在石英光纖透射視窗內的吸收峰, 測量由於氣體吸收產生的光強衰減, 可以得到氣體的濃度。通過標定吸收峰的位置, 可進一步對氣體的種類進行識別。常見的氣體(如CO 、CH₄ 、C₂H₂ 、NO₂ 、CO₂)的標準特徵吸收譜線一般是出現在中紅外區(2μm ～ 10μm)的振動譜。這個波段遠遠超出了石英光纖的透射視窗(1μm ～1 .7μm), 因此在光譜吸收型光纖氣體感測中, 一般是利用了氣體在石英光纖透射視窗內的泛頻諧波譜。儘管這類泛頻諧波譜的吸收遠小於標準特徵譜的吸收, 但是由於光纖對這些波長的衰減極低, 探測系統的靈敏度又相當高, 所以也可以得到很好的檢測結果。

2光譜吸收型光纖氣體感測技術的研究現狀

與其他的氣體感測技術相比, 基於氣體吸收譜測量的吸收型感測技術具有相當高的測量靈敏度,極高的氣體鑑別能力, 快速的回響能力, 對溫度、濕度等干擾的強抵抗力, 簡單可靠的氣體感測探頭(氣體吸收盒)以及易於形成網路等優點。因而是目前最有前途的一種氣體感測技術。

光纖氣體感測技術的簡單回顧

在近紅外波段, 氣體吸收的微弱信號檢測是吸收型光纖氣體感測的關鍵技術。

最早從1979 年起, 光譜吸收型光纖感測技術採用LED 光源, 對NO₂CH₄ 等進行檢測一些可燃易爆的有機分子氣體如C3H8 ,C2H4 ,C2H2 ,C2H6 和C4H10的光纖遠程測量也見諸於報導。分布反饋式(DFB)雷射器的出現, 使光纖氣體感測精度有了巨大提高, 室溫下甲烷氣體最小可探測靈敏度可達20ppm(10cm 的氣體感測盒)。而且DFB 雷射器可檢測的氣體種類也越來越多, 如CH4(1 .65μm), CO2 (1 .573μm), CO (1 .567μm),NH3 (1 .544μm), H2S (1 .578μm), O2 (761nm)等。

儘管光纖氣體感測技術已有數年的研究, 但始終難以實用化。氣體感測波段的DFB 雷射器成本居高不下, 單個雷射器就要上萬美元, 對於單點光纖氣體感測系統, 如此高的成本將限制它與電類感測器的競爭。人們開始研究利用光纖巨大的頻寬和易於成網的特性進行多點光纖氣體感測, 使多個光纖氣體感測探頭共用同一個雷射光源或者同一套信號處理設備, 大大降低成本。

1998 年, 英國S trathclyde 大學的G Stew art 報導了一套利用空分復用方式工作的多點光纖氣體感測系統。實驗結果顯示在復用數量不多的情況下,它的精度與單點系統相當。1999 年, 香港理工大學靳偉博士領導的研究小組對TDM 技術用於光纖氣體感測進行分析, 給出了一個理論模型, 對復用數量和靈敏度作出了理論預測, 實現了一套TDM 復用的多點光纖感測系統, 實驗結果與理論預測相符合。之後, 與清華大學合作, 實現了一套FMCW 復用的多點光纖乙炔氣體感測系統。2000 年, Miha Zavrsnik報導了基於相干復用的串聯的光纖氣體感測復用系統。這可以說是目前多點光纖氣體感測網路的最簡單結構。但是由於串聯繫統本身固有結構的限制, 這個系統的各感測單元間串擾複雜, 測量數目以及測量靈敏度都不是特別高。

由此看來, 光纖氣體感測技術的發展是從利用寬頻光源到利用窄帶可調諧光源, 從單點測量到多點同時監測, 測量靈敏度也是逐步提高, 單點測量成本越來越低, 離實用化僅一步之遙。

3光纖氣體感測及感測網路的關鍵技術

光纖氣體感測單元(氣體吸收盒)

吸收型的氣體感測器的一大優點是採用簡單可靠的氣體吸收盒作為氣體感測單元。採用小型漸變折射率透鏡, 可以設計衰減小(小於1dB), 穩定性好的氣體吸收盒。而且只需要調換光源, 對準另外的吸收譜線, 可以用同樣的系統來檢測不同的氣體。1997 年M .A .Mo rante 和G .Stewart 提出了一種改進型的光纖氣體吸收盒。將原來的準直型的漸變折射率透鏡改變為匯聚型, 這樣, 發散的反射光不能夠返回光路, 大大減少了相干噪聲, 信號的信噪比也因此提高了5 倍。

對於工程化的套用, 如何保護在工業環境下氣體吸收盒中光學元件的清潔是一個難題。國外已有利用特殊的高分子薄膜(分子篩)保護光纖氣體吸收盒的專利技術。它可以使氣體分子進入而將一些別的大分子污染物排除在外。研究開發具有我國自主智慧財產權的氣體盒保護技術將是光纖氣體感測技術實用化的關鍵技術之一。

光源及其相應的信號檢測處理技術

早期的氣體感測研究採用寬頻光源配合光學濾波器得到窄帶匹配光源, 測量精度不高。其後可調諧的半導體雷射器被廣泛套用於氣體感測, 測量精度得到極大的提高, 但是過高的成本始終困擾著它的實用化。光纖雷射器開始被用於氣體感測。它的波長調節範圍非常寬, 一般可達30 ～ 40nm , 用一個光源可能對應數個氣體吸收峰, 即可以同時測量數種氣體。而且, 利用光纖雷射器的內腔氣體吸收測量和利用光纖放大器的光纖有源腔的ring -down 腔技術可能將測量精度提高。

(1)窄帶光源與諧波檢測技術

Ⅳ -Ⅵ 族鉛鹽半導體雷射器是最早用於氣體感測的。它的波長為3μm ～ 30μm , 正好在氣體吸收的基頻頻譜範圍內,因此氣體吸收效應明顯高於近紅外波段, 最小可探測靈敏度可到ppb(9-10)量級。但是由於它的波長範圍超出了現在光纖的透過視窗, 在光纖中損耗太大, 不適合與用做光纖氣體感測套用。也許將來的中紅外光纖技術的發展, 可以利用這個波段的氣體吸收譜進行高靈敏度氣體測量。

Ⅲ -Ⅴ 族半導體雷射器已經用於氣體感測研究。它可以單模輸出數毫瓦的能量, 波長範圍已經覆蓋大部分的氣體吸收峰且與光纖透過視窗匹配,可以採用光纖氣體測量技術。更重要的是它可以在室溫下工作, 性能相當穩定, 與之配套的光電器件成本較低, 技術相對成熟, 適合於光纖化測量以及工業套用。它的最主要缺點是光波長調節範圍不夠大,不能同時覆蓋多個氣體吸收峰, 而且此波段氣體吸收較弱, 一般靈敏度為ppm(10)量級, 某些情況下可能到ppb 量級。分布反饋式(DFB)雷射器是目前來說最好的氣體感測用雷射器。它可以提供一個與氣體吸收峰頻寬相當或更窄的光譜(50MHz), 其中心波長可以通過改變注入電流來調節, 調節範圍可以達到幾納米, 並且在窄頻寬內提供極高的光強(數毫瓦)。目前, 基於InGaAsP/ InP 材料的DFB 雷射器已成系列, 可以對應於幾乎大部分的常見氣體的吸收峰。

利用光源波長或頻率調製的窄帶雷射器與諧波檢測技術配合(WMS 或FMS 技術)可以將光源波長精確穩定於吸收峰, 得到很高的檢測精度0 .3ppm 。目前它已經被廣泛套用於光纖氣體感測。如何降低光源成本, 提高光源利用率(復用技術)將是此技術實用化的關鍵。

(2)寬頻光源與梳狀濾波器

對於甲烷和乙炔等具有梳狀吸收峰的氣體, 可用梳狀濾波器與之匹配, 進行信號檢測。寬頻入射光可覆蓋一族氣體吸收峰, 通過氣體吸收後, 光譜被調製為梳狀。我們需要測量的是氣體吸收引起的輸出光功率變化。由於氣體吸收峰窄, 因而相對光功率的變化也小, 測量精度不高。利用一個和氣體吸收峰相匹配的梳狀濾波器, 同時測量多個氣體吸收峰, 氣體吸收引起的相對輸出光功率變化將會大大提高, 檢測效率可得到改善。

梳狀濾波器也可以用類似於窄帶光源的波長鎖定技術, 將濾波器透射波長鎖定在氣體吸收峰上。相對於上一種方案, 寬頻光源(LED)比較便宜, 梳狀濾波器對光源波長的穩定要求也不高。另外由於寬頻光源相干長度小, 光纖接頭處反射引起的干涉噪聲大大低於半導體雷射器光源系統。另一種可能的方案是用梳狀的寬頻光源, 直接與氣體吸收峰對準, 可以得到類似的效果。

(3)光纖光源及有源腔氣體檢測技術

九十年代, 光纖有源腔為基礎的氣體檢測技術是將氣體感測單元(氣體吸收盒)置於有源腔中, 通過調節增益, 使得腔的總損耗很小。由於光可以在低損耗腔來回傳輸而不衰減或衰減很慢, 這樣光可以通過感測單元(氣體盒)很多次, 相當於有效作用長度(氣體盒長度)大大增加, 氣體吸收的靈敏度也會提高几個數量級。這類方法是很重要的雷射光譜分析技術,主要包括兩類:Ring -down 腔光譜吸收檢測技術以及雷射內腔吸收檢測技術。光纖Ring -down腔光譜吸收技術還是剛剛有一個概念, 沒有任何實際的實驗系統提出, 也沒有更多原理的探討。而光纖內腔吸收檢測技術的研究也是才起步。對光纖有源腔氣體檢測系統, 由於利用寬譜的摻鉺光纖作為增益介質, 因此可以在大範圍內調節波長, 即一套系統可以對準數種氣體吸收峰, 同時測量多種氣體濃度, 而且有源腔的引入, 使信號在腔中能有效增強,大大簡化信號接收處理設備, 這是利用光纖有源腔進行氣體感測的最有誘惑力的地方。儘管如此, 光纖化的這類方法要能提供高靈敏度的氣體濃度檢測, 達到頻率調製的諧波檢測法的成熟度還有很長的路要走。而且, 同樣的高成本問題也擺在人們面前, 如何用作多點網路感測檢測是一個重要的研究課題。

4光纖氣體感測復用技術

光纖氣體感測技術與雷射氣體光譜檢測技術相比, 一個重要的優勢就是易於實現復用, 利用光纖區域網路技術, 把多個感測器連成一個複雜的感測網路。大氣污染檢測和工業過程控制都要求多點, 多參量氣體的監測和控制, 光纖氣體感測器的復用不僅可以大大降低整個系統的成本, 而且由於大量減少了連線光纖的數量, 復用和簡化了系統光源以及信號檢測處理系統, 因此系統可靠性也大大增強。

光纖感測器的復用按其工作原理可分為時分復用TDM , 頻分復用FDM , 碼分復用CDM , 波分復用WDM 以及串聯的光時域反射OTDR 等技術。從網路拓撲結構來說可分為星型網路, 環形網路, 梯形網路, 樹型網路及線性陣列型網路等。光纖感測器的復用技術利用了已經研究數十年的光纖區域網路技術, 從基本原理上來說, 大部分技術已經成熟。但是由於光纖感測技術為滿足不同的套用要求, 它的工作原理、實現方案千差萬別, 與以數位技術為基礎的光纖區域網路技術還是有一定的差別。在光纖氣體感測套用中, 由於氣體吸收峰的譜特性, 光源的相干性以及感測信號的強度檢測方式, 使得光纖氣體感測復用技術有其自身的特點, 面臨很多困難。同時, 如何在光纖有源腔氣體感測系統中套用光纖復用技術也是一個新的問題。