光谱吸收型光纤甲烷气体传感器检测方案分析

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1、哈尔滨工程大学硕士学位论文第1章绪论1．1光纤气体传感器概述1．1．1光纤气体传感器的特点光纤气体传感技术是光纤传感技术的一个重要分支，它是根据所有与气体的物理或化学特性相关的光学现象或特性来进行气体浓度检测的技术。光纤气体传感器与传统气体传感器相比具有十分诱人的优势：1．灵敏度高，频带宽，动态范围大。由于传输信息的载体是光，光信号载频高，频带宽，光器件已较成熟，所以已研制成功的光纤气体传感器分辨率大部分优于其他同类传感器，且动态范围较大【11。2．适合于长距离的在线测量。光纤传输损耗小，可长距离传输。光纤体积小，重量轻，柔软可弯折，化学性质

2、稳定，可将传感探头放入恶劣或危险的环境，由光纤将信号引出，在远距离安全地带进行遥控遥测。3．适合于测量易燃易爆气体或工作于易燃环境以及强电磁干扰环境。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。4．光纤气体传感器传感单元结构简单，造价低。5．易于组成光纤传感网络，光纤的巨大带宽使得它可以传输大量信息。采用空分(SDM)、时分(TDM)以及波分(wDM)等多路复用技术∞1，可以使多个光纤传感器共用同一光纤、同一光源和同一信号检测设备，大大降低系统成本。1．1．2光纤气体传感器的分类用于气体检测的光纤技术相当丰富，各种光

3、纤气体检测装置种类繁多，下面介绍几种主要的形式网：1．渐逝场型光纤气体传感器渐逝场型光纤气体传感器是利用光纤界面附近的渐逝场被气体吸收峰衰1哈尔滨工程大学硕士学位论文减来测量气体浓度的。对于光纤中的导模，可以认为光在光纤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纤芯距离的增大作指数衰减。当渐逝场区域内的包层部分被吸收型介质(如被测气体)代替时，部分渐逝波被介质吸收而发生衰减，对导模来说，它在纤芯和包层界面的反射系数将会小于1，最终导模将发生衰减口1，通过导模衰减的程度就可得到被测物质的浓度。这种传感器体积小、结构

4、简单；但是渐逝场内的任何物质都会引起其光功率的减弱，容易引起误测；此外光纤的弯曲也会对传感器的灵敏度产生很大的影响。2．光干涉型光纤气体传感器光干涉型光纤气体传感器利用光在被测气体和空气中折射率的不同，采用两束光干涉的方法来测量气室中气体折射率的变化，从干涉条纹的移动量iN知被测气体浓度阿。光干涉甲烷气体传感器于1972年在日本研制成功，它具有体积小、结构简单，安全性好，测量范围大等优点，目前国内普遍使用的便携式瓦斯检测仪大多采用此传感器。刀，但这种传感器测量时受环境温度、湿度及气压的影响较大；无法消除背景气体产生的干涉条纹的影响，容易造成误

5、检测。3．荧光型光纤气体传感器荧光型光纤气体传感器是一种通过测量与气体相应的荧光辐射来确定其浓度的光纤气体传感器。荧光物质受吸收光谱中特定波长的光照射时，被测气体的浓度既可以改变荧光辐射的强度，也可以改变其寿命隅1。由于不同的荧光材料具有不同的荧光波长，因此荧光型光纤气体传感器对被测物质的鉴别性好。限制荧光气体传感的主要因素是信号微弱，使得检测系统复杂，因而系统成本较高。4．光谱吸收型光纤气体传感器光谱吸收型光纤气体传感器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线监测仪器，利用光纤

6、的特点，使光谱分析技术在探测灵敏度、远程遥测、多2哈尔滨工程大学硕士学位论文点网络化测量方面有了一个飞跃。这是一种利用气体在石英光纤透射窗口(0．81un．1．71Jm)l为的近红外吸收峰进行测量的光纤气体传感器。其理论基础是比尔一朗伯定律。待测气体分子对应一定的吸收光谱，当对应吸收峰的光通过被测气体时，由于气体的吸收使光强衰减，通过光强的衰减程度获得气体的浓度信息。光谱吸收型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一吸收光谱，就可以用同样的系统来检测不同的气体。常见气体(co、CH4、C2HE、N02、C02)

7、在石英光纤低损窗口都有泛频吸收线或组合吸收线唧。在这一波段发光器件和接收器件都具有比较理想的特性，因此用光谱吸收的方法可以对大多数的气体浓度进行较高精度的测量。光谱吸收型光纤气体传感器与其他光纤气体传感器相比具有极高的测量灵敏度，极高的气体鉴别能力，快速的响应能力，简单可靠的气体传感探头、气室以及易于形成网络等优点n¨21，是目前研究最广泛，最有前途的一种光纤气体传感技术。1．2课题研究背景及国内外研究动态1．2．1课题研究背景甲烷是矿井中主要的有害气体和天然气的主要成分。当空气中的甲烷浓度约为5．3％到15％时，遇火源就会爆炸；在无火源情况

8、下，当空气中的甲烷浓度达到50％，能使人因缺氧而窒息死亡。我国矿产资源丰富，随着煤炭以及石油、天然气工业的大力发展，与甲烷泄漏相关的事故也日益增加。为了预防与控制事