测量甲烷体积分数的高灵敏度光纤传感器研究.pdf

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1、2010年第29卷第4期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)15测量甲烷体积分数的高灵敏度光纤传感器研究付华，井毅鹏(辽宁工程技术大学电气与控制工程学院。辽宁葫芦岛125105)摘要：基于气体的红外吸收原理，研究了一种能在复杂环境下测量甲烷气体体积分数的新方法。这种方法可以有效地减小由于光源的不稳定、环境的变化而引起的测量误差。在这种测量方法中设计了一条参考测量光路，此参考测量光路和测量光路同时随环境的变化而变化，通过对待测量气体光路与参考气体测量光路作对比而得出较为

2、准确的待测甲烷气体体积分数。关键词：甲烷；双气室；光纤传感器；光谱吸收中图分类号：TD712文献标识码：A文章编号：1000-9787(2010)04-0015-03StudyonahighsensitivityopticalfibersensorformeasuringmethanevolumefractionFUHua，JINGYi—peng(SchoolofElectricalandControlEngineering，LiaoningEngineeringTechnologyUniversity，Huludao1

3、25105，China)Abstract：Basedontheinfraredabsorptionmechanismofgas，anewmethodformeasuringmethanevolumefractionundercomplexenvironment．Thismethodcaneffectivelyreducethemeasurementerrorcausedbytheinstabilityoflightsourceandenvironmentalchanges．Areferencemeasurementopt

4、icalpathisdesignedinthismeasurementmethod．Boththereferenceopticalpathandmeasuringopticalpathchangewithenvironmentalchange．Moreaccurateanalytemethanegasvolumefractioncanbederivedbythecomparisonofreferenceopticalpathwithmeasuringopticalpath．Keywords：methane；doubleg

5、as-cell；opticalfibersensor；spectrumabsorption0引言相同，不同波长的红外辐射依次照射到样品气体时，某些波甲烷是易燃易爆气体，是矿井瓦斯与天然气等多种燃料长的辐射能被气体选择吸收而变弱，产生红外吸收光谱。的主要成分，实现对矿井甲烷的准确、高效、实时监测，一直同一种气体不同体积分数时，在同一吸收峰位置有不同的是矿业研究焦点问题，也是石油、化工等行业安全生产的保吸收强度，吸收强度与体积分数呈正比关系。不同气体分证。一般认为，甲烷爆炸下限为5％，上限为15％，当体积分子化学结构不同，对

6、应于不同的吸收光谱，而每种气体在光数为9．8％时最容易爆炸。目前已经有不少高精度的红外谱中，对特定波长的光有较强的吸收。那么，通过检测气体检测仪器，但高精度的检测仪器不能很好地适应矿井下恶劣对该波长的光的强度的影响，便可以确定气体的成分与体的环境，其精度、稳定性将受到严重影响J。光纤可以实现积分数。气体分子只能吸收那些能量正好等于它的某2个信号的长距离传输，而且，光纤传感所用的光功率较低，相对能级的能量之差的光子，即气体分子的选择吸收理论。不安全，且响应速度快，动态范围大，耐腐蚀，所以，传感器可以同分子结构的气体会因为其

7、不同结构决定的不同能级而吸放人恶劣环境中(如，有毒、高温及易燃易爆气体)，实现在收不同频率的光子，以波长为横坐标、被吸收的能量为纵坐易燃易爆等场合的本安测量。本文提出了一种基于光谱吸标绘制的谱图，称为吸收光谱图。收原理的高灵敏度的光纤甲烷体积分数测量系统。甲烷气体分子吸收谱线的强弱取决于分子的结构，甲烷1甲烷的光谱吸收原理分子具有4个固有的振动，相应产生4个基频吸收波长，全甲烷体积分数的光学检测是基于甲烷气体的红外吸收部位于中红外区，4个基频的波数分别是：l，=2913．0am一，-光谱原理。各种气体对不同波长红外辐射的

8、吸收程度各不-1533．3am一，=3018．9cm～，／J4=1305．9cm_。。每收稿日期：2009-10-09基金项目：国家自然科学基金资助项目(50874059)16传感器与微系统第29卷一个固有振动对应一个光谱吸收带，它们的波长分别为为光通过气体的长度。3143，6153，3131，7166m。图1给出了