CN1715876A - 一种甲烷浓度的检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一种甲烷浓度的检测方法和装置属气体检测领域。检测方法是使用一定发光范围的光源，选择两端内表面高反射率的谐振腔；光源发出的光透过被检测的气体和谐振腔后被检测；调节谐振腔腔长，分别探测到光强的最小值I_min和最大值I_max；代入公式计算甲烷浓度。装置有：LED光源1发出的光经准直透镜11、探测气体12、汇聚透镜13，进入法布里—珀罗标准具14，被探测系统接收；17是计算机。信号发生器16产生的锯齿波信号为法布里—珀罗标准具14的压电陶瓷管提供调制信号，又为锁相放大器8提供参考信号。本发明造价低、方便光路准直、灵敏度高、优于传统的单吸收线的差分测量，便于低浓度远距离即时测量。

Description

一种甲烷浓度的检测方法和装置

技术领域

本发明属于气体检测领域。特别涉及一种用红外发光二极管(LED)作光源、法布里-珀罗标准具(以下简称F-P)标准具选频、利用差分原理进行甲烷探测的方法和器件。

背景技术

甲烷是一种可燃气体，是继煤炭、石油后又一重要天然燃料。但由于甲烷在空气含量超过5.3％，遇火就会发生爆炸，所以又是一种易爆气体，煤矿瓦斯爆炸给国家经济和人民安全带来重大的损失。同时甲烷在大气中含量增加，还会产生温室效应，这也是环境保护的重要课题。

与本发明相近的现有技术是一篇题目为“差分吸收式光纤甲烷气体传感器的研究”文章，刊登于《光电子·激光》第12卷第7期2001年7月。文章根据甲烷气体的吸收光谱，研究了用LED作光源的差分吸收式光纤甲烷气体传感器。检测方法是使用两个LED光源，其中主光源光波长λ₁＝1.33μm，另一个参考光源波长λ₂＝1.27μm；甲烷气体浓度为

$C=\frac{1}{\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}\×\frac{I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)-I\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}$

在波长λ₁、λ₂下，若气体的吸收系数α₁、α₂可以测量，则气体浓度就可以从I(λ₂)-I(λ₁)和I(λ₂)的测量中求出。

现有技术的差分吸收式光纤甲烷气体传感器系统如图1所示。F₁、F₂分别为中心波长λ₁、λ₂的干涉滤光片，两个LED光源1和2由多谐振荡器3驱动，A为可变消光片。LED发出的光分别经干涉滤光片F₁、F₂后，再经耦合器4与传输光纤5进入探测气室6，透射光由光电二极管7转换为电信号。差分信号I(λ₂)-I(λ₁)由锁相放大器8检测给出。图1中，9为显示器，10为单片机。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，设计了一种以光强为测量量的差分方法和具体的计算公式，快速准确安全的探测甲烷浓度。使本发明的方法和装置在能源开采，环境保护等方面发挥重要作用。

甲烷的2ν₃振转吸收带位于1650nm附近(它们的光谱数据由专业数据库HITRAN2000得到)，恰好处在大气透明窗口内，这使直接远距离探测甲烷浓度成为可能。

本发明的甲烷浓度的检测方法是，使用发光光谱在1400nm～1800nm的范围内的光源，选择两端内表面反射率为Rm，腔长为d的谐振腔；光源发出的光透过被检测的气体和谐振腔后被探测器接收；调节谐振腔腔长，使谐振腔透射峰与甲烷的吸收峰位置完全吻合，此时谐振腔腔长为d₁，探测到光强的最小值I_min；再调节谐振腔腔长，使谐振腔透射峰与甲烷的吸收峰错开，此时谐振腔腔长为d₂，探测到光强的最大值I_max；最后由下列的公式计算得到甲烷的浓度，

$C=\frac{(1-\frac{I_{\min }}{I_{\max }})\×\frac{1-R_m}{1+R_m}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{K}_i/[1+F\×{\mathrm{Sin}}^2\left(2\mathrm{\π}{v}_i{d}_1\right)]-\frac{I_{\min }}{I_{\max }}\×\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{K}_i/[1+F\×S{\mathrm{in}}^2\left(2\mathrm{\π}{v}_i{d}_2\right)]}$

公式中F＝4R_m/(1-R_m)²，υi为甲烷2υ₃带R支各吸收峰对应的波数，K_i＝2*S_i*L，其中S_i为各波数对应的吸收强度，υi和S_i见图2，L为被探测甲烷气体所在区域的长度。

所说的调节谐振腔腔长，可以是在谐振腔的一端装有压电陶瓷管，用锯齿波电信号加在压电陶瓷管上。

按照上述的甲烷浓度的检测方法，本发明主要是利用F-P对宽带光源进行滤光。当我们选择了合适的F-P腔长时，就会使透射光与甲烷的吸收峰相吻合，但当我们微调F-P腔的距离时，透射光又会与吸收峰分开。这样就可以利用差分方法来计算甲烷的浓度了。

本发明的装置系统中所采用的光源LED中心波长为1650nm，发光光谱在1400nm～1800nm的范围内，对应的半宽度为150nm。如果让LED发出的光经过甲烷气体的吸收后，直接由光电二极管(PD)探测接收，那么PD能探测到的信号变化是非常小的，因为甲烷在2ν₃带的半宽度只有十几个纳米，相对于LED150nm的半宽度来说是很小的。为了提高测量精度，我们主要采用了两种方法。一是在光路中加滤光片，缩小光谱范围，使LED的光谱宽度与甲烷吸收带的宽度大致相等，将没有用于吸收的光滤掉。二是利用F-P标准具。我们知道，F-P具有滤光作用，其光谱透过率τ可用公式

$\mathrm{\τ}=\frac{1}{1+F\×{\mathrm{Sin}}^2\left(2\mathrm{\πnd\υ}\right)}$

表达，F＝4R_m/(1-R_m)²，R_m是F-P镜片内表面的反射率，Rm可选择85％～95％，n是空气的折射率，d是腔长，υ是波数。通过选择合适的反射率和腔长，可以使F-P的透过峰与甲烷的吸收线较好匹配在一起。

本发明的检测甲烷浓度的装置具体结构是，使用LED发出的红外宽带光作为光源，发光光谱在1400nm～1800nm的范围，按光路顺序，光源发出的光经准直透镜变为平行光；经过探测气体后通过汇聚透镜，进入法布里—珀罗标准具；再通过聚焦透镜后，被探测系统接收；最后是进行数据处理并输出结果的计算机。所说的探测系统由光电二极管和锁相放大器组成。

所说的法布里—珀罗标准具结构为：两片BaF₂玻璃，相对的两个内表面镀反射率大于或等于85％的高反射膜，形成谐振腔；一片镜片直接固定在光具座上，另一片镜片与压电陶瓷管固定装在光具座上；

信号发生器与压电陶瓷管电联接提供调制信号，信号发生器与锁相放大器电联接提供参考信号。

前述的红外宽带光源工作波长范围可以是1635nm～1655nm，覆盖甲烷的2υ₃吸收带。

前述的信号发生器可以是多功能函数信号发生器，为法布里—珀罗标准具的压电陶瓷管提供锯齿波调制信号。

法布里—珀罗标准具外侧的两个面镀窄带通的滤光膜，使1635nm～1655nm波段的光通过，其它光被滤掉。一个镜片直接固定在光具座上，另一片经压电陶瓷管连在光具座上，使初始腔长d为0.505mm～0.510mm。通过改变加在它上边的电压，就可以实现微调F-P腔长的目的，在压电陶瓷管长度为1.5cm～2.5cm时，信号发生器提供给压电陶瓷管的工作电压为-50V～50V，即，锯齿波调制信号的电压为-50V～50V。根据理论计算，当甲烷吸收线间隔与F-P自由光谱区相等时，F-P腔长应在0.5076mm附近，此时F-P的透射峰与甲烷的吸收峰位置相吻合；微调F-P的间距，使腔长变化Δd约为400nm，就可以使透射峰与吸收峰错开。

准直透镜、汇聚透镜、聚焦透镜可以是BaF₂玻璃材料的，在红外波段有很高的透过率。

本发明装置中的信号发生器和锁相放大器是通常公用的仪器，比如信号发生器可以使用“多功能函数信号发生器”，型号为SG1640B；锁相放大器可以使用SR830 DSP型号的，它们均由北京东方科泰公司经销。

本发明只使用一个宽带光源，即降低了探测仪器的造价，又方便光路的准直。关键的选频器件F-P标准具选用BaF₂玻璃，相对的两个内面镀反射率为90％高反射膜形成谐振腔；外面的两个面镀窄带通的滤光膜；通过改变加在压电陶瓷管上边的电压实现微调F-P腔长的目的，这样的设计可以大大提高探测的灵敏度，实现低浓度测量。由于在F-P标准具两端使用了汇聚透镜和聚焦透镜，它们可以提高探测器接受信号的强度。该设计的原理是可以同时对多根甲烷的吸收线进行差分测量，这优于传统的单个吸收线的差分测量，将会大大提高系统的探测能力，并可对甲烷进行远距离即时探测。

附图说明

图1是背景技术的测量系统图。

图2是甲烷2υ₃带R支的吸收强度曲线。

图3是本发明的F-P标准具的透过率曲线与甲烷吸收线重合图。

图4是本发明的F-P标准具的透过率曲线与甲烷吸收线错开图。

图5是本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明的方法和装置结构。

实施例1说明差分原理

当F-P的腔长恰好使LED的透射光与甲烷的吸收线重合，此时探测器接收到的光强是最低的，并且包含了甲烷浓度的信息；调节F-P腔长，使LED的透射光与甲烷的吸收线错开，这时探测器接收到最大光强；通过两次测量的光强，根据理论推导的公式，就可以计算出甲烷的浓度。

实施例2具体说明检测装置

本发明的甲烷浓度的检测装置由图3所示。图3中，1是光源，发光光谱在1400nm～1800nm的范围；7是光电二极管，可以是InGaAs光电二极管，作为接收光信号，并将光信号转为相应的电信号的元件；8是锁相放大器，和光电二极管7一起构成探测系统；11是准直透镜，将光源1发出的光变成平行光，以通过被检测气体；12是被检测气体；13是汇聚透镜，增大带有甲烷信息的光信号的收集面积；14是法布里—珀罗标准具；15是聚焦透镜；16是信号发生器，最好使用多功能函数信号发生器，产生的锯齿波信号为法布里—珀罗标准具14的压电陶瓷管提供调制信号，又为锁相放大器8提供参考信号；17是计算机。

实施例3  检测甲烷的具体流程和实例

使用本发明装置的具体流程为：首先调节F-P标准具，使其腔长为0.507mm；由信号发生器产生的锯齿波信号，加在压电陶瓷管上，调节F-P腔长。当腔长的距离使F-P透射峰与甲烷的吸收峰位置完全吻合时，光电二极管7探测到光强的最小值I_min；当改变腔长距离使透射峰与甲烷的吸收峰错开时，光电二极管7探测到光强的最大值I_max，然后带入理论推导的公式中，即可得到甲烷的浓度。为了提高系统的信噪比，可以使用锁相放大器来进行探测，并利用其所带的RS232输出端口与计算机相连，从而实现即时探测的目的。

按上述的具体流程，测得d₁为0.05076cm，d₂为0.05079～0.05081cm不等；被探测甲烷气体所在区域的长度L为30cm；测得的I_min、I_max数据带入公式，由计算机运算得到甲烷浓度的计算值。表1列出对同一甲烷样品多次测量得到的一组结果。

表1

Imin	Imax	Imin/Imax	计算值	实际值
					0.284	0.294	0.96599	0.09444	0.1
0.2851	0.2949	0.96677	0.09228	0.1
					0.2868	0.2961	0.96859	0.08724	0.1
0.2878	0.2978	0.96642	0.09324	0.1

其中实际值为U形管测得的甲烷压强与充入空气的混合气体压强的比值。

Claims (5)

1、一种甲烷浓度的检测方法，其特征是，使用发光光谱在1400nm～1800nm范围内的光源，选择两端内表面反射率为R_m的谐振腔；光源发出的光透过被检测的气体和谐振腔后被检测；调节谐振腔腔长，使谐振腔透射峰与甲烷的吸收峰位置完全吻合，此时谐振腔腔长为d₁，探测到光强的最小值I_min；改变谐振腔腔长，使谐振腔透射峰与甲烷的吸收峰错开，此时谐振腔腔长为d₂，探测到光强的最大值I_max；最后由下列的公式计算得到甲烷的浓度，

$C=\frac{(1-\frac{I_{\min }}{I_{\max }})\×\frac{1-R_m}{1+R_m}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{K}_i/[1+F\×{\mathrm{Sin}}^2\left(2\mathrm{\π}{v}_1{d}_1\right)]-\frac{I_{\min }}{I_{\max }}\×\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{K}_i/[1+F\×{\mathrm{Sin}}^2\left(2\mathrm{\π}{v}_1{d}_2\right)]},$

公式中F＝4R_m/(1-R_m)²，υ_i为甲烷2υ₃ R支各吸收峰对应的波数，K_i＝2*S_i*L，其中S_i为各波数对应的吸收强度，L为被探测甲烷气体所在区域的长度。

2、按照权利要求1所述的一种甲烷浓度的检测方法，其特征是，所说的调节谐振腔腔长，是在谐振腔的一端装有压电陶瓷管，用锯齿波电信号加在压电陶瓷管上。

3、一种甲烷浓度的检测装置，由光源(1)、准直透镜(11)、探测系统构成，所说的探测系统由光电二极管(7)和锁相放大器(8)组成；其特征是，所说的光源(1)是红外宽带光源，发光光谱在1400nm～1800nm的范围；按光路顺序，光源(1)发出的光经准直透镜(11)变为平行光；经过探测气体(12)后通过汇聚透镜(13)，进入法布里—珀罗标准具(14)；再通过聚焦透镜(15)后，被探测系统接收；最后是进行数据处理并输出结果的计算机(17)；

所说的法布里—珀罗标准具(14)结构为：两片BaF₂玻璃，相对的两个面镀反射率大于或等于85％的高反射膜，形成谐振腔；一片镜片直接固定在光具座上，另一片镜片与压电陶瓷管固定装在光具座上；

信号发生器(16)与压电陶瓷管电联接提供调制信号，信号发生器(16)与锁相放大器(8)电联接提供参考信号。

4、按照权利要求3所述的一种甲烷浓度的检测装置，其特征是，所说的信号发生器(16)是多功能函数信号发生器，为法布里—珀罗标准具(14)的压电陶瓷管提供锯齿波调制信号。

5、按照权利要求3或4所述的一种甲烷浓度的检测装置，其特征是，所说的法布里—珀罗标准具(14)，初始腔长为0.505mm～0.510mm，外侧的两个面镀窄带通的滤光膜，使1635nm～1655nm波段的光通过，其它光被滤掉；法布里—珀罗标准具(14)的压电陶瓷管长度为1.5cm～2.5cm，为压电陶瓷管提供锯齿波调制信号的电压为-50V～50V。

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