CN101042340A

CN101042340A - 一种光纤传输的红外吸收式甲烷气体的检测方法

Info

Publication number: CN101042340A
Application number: CN 200710017792
Authority: CN
Inventors: 王海容; 张英; 蒋庄德; 周志涛; 张群明; 孙国良; 高鲜妮
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2007-04-30
Filing date: 2007-04-30
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2027-04-30
Also published as: CN100468049C

Abstract

本发明针对基于半导体激光器的近红外光纤检测方法的高成本、实用化程度低的不足，公开了一种基于微分光器的光纤传输红外吸收式甲烷气体的检测方法，其特征是，采用宽带红外光源、闪耀光栅、传输光纤、吸收气室、光电探测器、信号处理电路组成测试系统。由红外LED光源发出的光，通过闪耀光栅分光获得中心波长为1331nm的窄带光源，通过入射光纤传输，经过透镜准直入射到充满甲烷气体的吸收气室，出射光通过自聚焦透镜耦合至出射光纤，再传输到光电探测器及信号处理电路，基于Beer－Lambert气体红外吸收定律，通过检测透过气室的红外光衰减情况可以获得气室内的甲烷气体浓度。

Description

一种光纤传输的红外吸收式甲烷气体的检测方法

技术领域：

本发明涉及一种甲烷气体的检测方法，特别涉及一种光纤传输的红外吸收式甲烷气体的检测方法。

背景技术

甲烷(CH₄)是易燃易爆气体，是煤矿瓦斯、沼气、天然气的主要成分，是一种重要的化工原料，在大气中浓度5.3％～15％时，具有爆炸性。瓦斯事故是煤矿安全生产的主要威胁之一，一直是困扰采矿业的重大难题，给国家和人民带来巨大的损失。同时，甲烷还是造成“温室效应”的主要成分之一，城市瓦斯管道的年久腐蚀也是城市安全的一大隐患。因此，开发一种安全可靠、高灵敏度、本质安全的甲烷检测系统具有切实而重大社会意义和经济价值。

甲烷气体的检测方法根据检测装置的不同有多种，如接触燃烧式、半导体式、生物式、电化学氧化式、光学干涉式等。光纤传输的红外吸收式甲烷气体检测方法有许多其他传感检测方法无法比拟的优点，如响应速度快、动态范围大、防电磁干扰、防燃防爆、不易中毒，而且可用光纤传输实现遥测等，特别适合强电磁场环境以及诸如矿井等的恶劣环境下的应用。

文献“光纤光学式甲烷气体传感器的设计与实验研究”(张景超，燕山大学，2006年4月)提出了一种红外吸收式甲烷气体检测方法，其采用DFB LD光源(分布反馈式半导体激光器)、Ring-down腔吸收气室、小波去噪和谐波检测技术，虽然其可以获得很高的检测精度，但是该方法要采用半导体激光器，由于激光器本身就很贵，因此检测成本很高，实用化程度很低。此外，该方法还存在吸收气室结构相对复杂，数据处理繁琐等缺陷。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题在于改进上述基于半导体激光器的近红外光纤检测方法的成本高、实用化程度低的不足，提供一种基于微分光器的光纤传输红外吸收式甲烷气体的检测方法，其对甲烷气体的检测具有简易、成本低廉、使用方便的特点。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种光纤传输的红外吸收式甲烷气体的检测方法，其特征在于，包括采用一个宽带红外光源、一个带有闪耀光栅的微分光器、一个吸收气室、一个光电探测器和一个信号处理电路组成光学测试系统；

所述宽带红外光源通过微分光器的闪耀光栅分光集中获得甲烷吸收峰下的窄带光源，将所获得的窄带光源通过耦合进入入射光纤传输至吸收气室，在吸收气室的入射端采用球面透镜将窄带光源准直成平行光，经吸收气室的出射端的自聚焦透镜将携带甲烷气体浓度信号的出射光聚焦后直接耦合进入出射光纤，并传输至光电探测器，出射光通过光电探测器将光信号转换为电信号再输入至信号处理电路。

上述方案中，所述微分光器的闪耀光栅采用硅微光片制成，其反射表面做成锯齿形状；所述的自聚焦透镜带有尾纤；所述的气室制成不可拆卸的结构；所述的宽带红外光源是采用中心波长在1331nm附近的红外LED。

本发明的光纤传输的吸收式甲烷气体检测方法，与现有技术相比，具有以下优点：

1.不再需要采用价格昂贵的激光器分光技术，而采用中心波长在1331nm附近的红外LED光源，结合采用MEMS(微机电系统)技术制作的硅微闪耀光栅的微分光器。在大批量制作的情况下，一致性好，而且单个平均成本很低，如半导体激光器2200元一个，而采用闪耀光栅分光批量生产成本可控制在300元以内，且LED的使用寿命要远大于半导体激光器的寿命。

2.采用硅微闪耀光栅可从宽带光源中捕获得需要波长的窄带光源，改变闪耀光栅的闪耀角θ，可以获得不同的中心波长，进而可实现一套系统检测多种气体浓度，而不仅仅只能检测甲烷气体。

3.吸收气室入射端采用球面透镜准直，出射端采用带尾纤的自聚焦透镜聚焦，并做成一体化结构，反射和干涉噪声小，结构简单。

4.充分利用目前光纤通信系统中成熟的技术和产品，通过光纤低损耗传输，实现在线遥测，而且敏感测头部分本质安全。

附图说明

图1是本发明基于微分光器的红外吸收式光纤甲烷气体检测系统的光路结构示意图。其中，3为入射光纤；5为出射光纤。

图2是图1中微分光器的分光原理示意图。其中，10为光阑；11为聚焦透镜；12为准直透镜；13为闪耀光栅。

图3是图1中的吸收气室的结构图。

图4是图2中闪耀光栅的分光原理图。

具体实施方式：

如图1至图3所示，本发明采用一个宽带红外光源1(可包括温度控制和电流控制环节)、一个带有闪耀光栅13的微分光器2、入射和出射光纤3和5、一个吸收气室4、一个光电探测器6和一个信号处理电路7组成测试系统。经温度和电流控制的宽带红外光源1输出稳定的光源，经由微分光器2获得特定波长的窄带光耦合进入入射光纤3，该入射光纤3另一端与吸收气室4入射端球面透镜8相连，吸收气室4出射端的自聚焦透镜9尾纤与出射光纤5连接，出射光纤5另一端连接光电探测器6，光电探测器6连接信号处理电路7。其中，宽带红外光源1可采用中心波长在1331nm附近的红外发光二极管LED，入射和出射光纤3、5可采用单模石英光纤，光电探测器6可采用光电二极管。

微分光器2包括一个光阑10，该光阑10两侧分别设置有聚焦透镜11和准直透镜12，闪耀光栅13为采用MEMS技术制作的硅微闪耀光栅，其反射表面为锯齿形状，并相对设置在准直透镜12平行光出射一侧。本发明的原理是利用闪耀光栅13分光集中获得窄带光源来实现1331nm波长下的红外吸收法测量甲烷气体的。经温度和电流调制的输出稳定的宽带光源1发出的红外光经微分光器2的聚焦透镜11聚焦后通过光阑10被准直透镜12准直为平行光束后由闪耀光栅13的锯齿反射面分光，获得中心波长在1331nm的窄带光源，所获得的窄带光源中心波长与甲烷气体近红外吸收峰重合，经入射光纤3传输至充满甲烷气体的吸收气室4，经气室4入射端球面透镜8准直后平行穿过气室4，携带甲烷气体浓度信息的出射光在气室4出射端经自聚焦透镜9聚焦后直接耦合进入出射光纤5，再经光电探测器6转化为电信号，经信号处理电路7获得检测结果，即通过检测透过气室4的红外光衰减情况可以获得气室4内的甲烷气体浓度。

本发明的透射式吸收气室4采用球面透镜8在入射端对从入射光纤3入射的光进行准直，在出射端采用带尾纤的自聚焦透镜9对输出气室的光进行聚焦，直接耦合进入出射光纤5，整个气室4可做成一体结构，这种气室结构简单，对准和耦合方便，而且耦合效率较高。(包括准直和耦合聚焦部分，耦合效率≥74.6％)

红外吸收基于Beer-Lambert定律，如式(1)，经变换如式(2)所示。

I＝I₀exp(-αLc) (1)

c＝ln(I₀/I)/αL (2)

式中：I是光电探测器6接收到的光能量；I₀是经闪耀光栅13获得的窄带光源能量；α是甲烷气体在该波长下吸收系数；L是吸收光程；c是被测甲烷气体浓度。由式(2)可见，在入射光能量I₀、吸收系数α、吸收光程L一定的情况下，测定出射光能量I(也即光电探测器6接收到的能量)便可以获得被测甲烷气体浓度。

例如，甲烷在波长为1331nm的近红外光，其吸收系数α为一常数，α＝5.4m^-1，气室长度(吸收光程)L＝0.2m，I₀＝242.7μW，I＝241.3μW，通过上式计算可得气体浓度c＝0.5％。

闪耀光栅13的分光原理如图4所示。图中，N为底面的法线方向；d为光栅常数；n为闪耀面的法线方向；为入射光线与闪耀面法线方向的夹角；′为出射光与底面法线方向夹角；θ为闪耀角；i为入射光；i′为出射光。

与透射光栅(没有色散的零级主极大占去了入射能量中的很大一部分，剩下的能量又要分配到正负各级主极大上，造成用来分析的有色散的那级谱线只分配到很小的能量)不同，闪耀光栅13可以把光强集中到m级闪耀波长λ附近的m级光谱中，只要λ满足：

d sin(2θ)＝mλ (3)

所以，可以通过闪耀角θ和光栅常数d的设计，使光栅适用于某一特定波段的某级光谱上。以下给出一个具体计算实施例：加工出闪耀角θ为4°，光栅常数d为50μm的闪耀光栅13，控制入射光i的夹角为87°，经过闪耀光栅13分光，在主级次上就可获得测试甲烷浓度所需的1331nm的红外光。

Claims

1.一种光纤传输的红外吸收式甲烷气体的检测方法，其特征在于，包括采用一个宽带红外光源、一个带有闪耀光栅的微分光器、一个吸收气室、一个光电探测器和一个信号处理电路组成光学测试系统；

2.根据权利要求1所述的光纤传输的红外吸收式甲烷气体的检测方法，其特征在于，所述微分光器的闪耀光栅采用硅微光片制成，其反射表面做成锯齿形状。

3.根据权利要求2所述的光纤传输的红外吸收式甲烷气体的检测方法，其特征在于，所述的自聚焦透镜带有尾纤。

4.根据权利要求3所述的光纤传输的红外吸收式甲烷气体的检测方法，其特征在于，所述的球面透镜、自聚焦透镜与吸收气室制成一体化的结构。

5.根据权利要求1～4任一所述的光纤传输的红外吸收式甲烷气体的检测方法，其特征在于，所述的宽带红外光源是采用中心波长在1331nm附近的红外LED。