新型光纤乙炔气体传感器的研究.pdf

第19卷 第3期 2006年6月 传 感 技 术 学 报 CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS Vol.19 No.3 Jun.2006 Study on a Novel Acetylene Optical Fiber G as Sensor L IU J in1, YA N G Hai2ma2, WA N G Yu2tian3 1. Institute of Electrical and Electronic Engineering , Shanghai University of Engineering and Science, Shanghai200065, China; 2. College of Optics 3. Institute of Electrical Engineering , Yanshan University , Qinhuangdao Hebei066004, China Abstract Based on the near infrared spectral absorption of acetylene , aimed at the defect of low sensitivity of absorption measurement by wideband light source directly , detection of concentration of acetylene is re2 alized by harmonic measurement technology with wideband light source and comb type filter Fabry2Perot cavity to obtain the comb type spectra adaptive to acetylene. Thus , the relative output light power variety of absorption by gas and the measurement efficiency are improved evidently. The mathematical model of gas concentration harmonic measurement is built up , optical fiber is used as transmission medium to realize long distance and on2line detection. The sensitivity of the detection is improved. Key words near infrared spectral absorption ; comb type filter ; harmonic measurement EEACC7320L 新型光纤乙炔气体传感器的研究 刘 瑾1,杨海马2,王玉田3 1.上海工程技术大学电子电气工程学院,上海200065 ; 2.上海理工大学光学与电子信息工程学院,上海200093 ; 3.燕山大学电气工程学院,河北 秦皇岛市066004 收稿日期2005210216 作者简介刘 瑾19782 , 女,燕山大学硕士,现为上海工程技术大学教师,主要从事光纤传感技术、 光电检测以及信息处理方 面的教学和科研工作,flyingpine sina. com;snowyhm sina. com 摘 要基于乙炔的近红外吸收机理,针对采用宽带光源直接进行吸收检测灵敏度不高的缺点,应用宽带光源和梳状滤波器 Fabry2Perot腔来获得与乙炔气体梳状吸收峰相适应的出射光 ,来实现乙炔气体浓度的谐波检测,使由于气体吸收而引起的 相对输出光功率变化大大提高,检测效率得到改善。建立了谐波检测的数学模型,利用光纤作为传输媒质,实现了在线遥测, 提高了测量灵敏度。 关键词近红外吸收;梳状滤波器;谐波检测 中图分类号TP212. 1 文献标识码A 文章编号10042169920060320614203 乙炔 C 2H2是变压器油中的故障特征气体,因 此,实时、 准确的监测乙炔气体的浓度对保障生产、 生 活的安全具有十分重要的意义[1]。本文从光谱吸收 原理,采用宽带光源谐波检测技术来实现乙炔气体的 较高精度检测。采用光纤作为传输媒质,适用于长距 离在线测量,可以测量易燃易爆气体以及工作在强电 磁干扰环境。具有灵敏度高、 结构灵活等优点。 1 基本原理 若光源光谱覆盖一个或多个气体吸收线,光通过 气体时发生衰减,根据Beer2Lambert定律,输出光强 I λ与输入光强I0λ和气体浓度之间的关系为 I λ I0λexp[ -αλ LC]1 式中αλ是一定波长下单位浓度,单位长度的介 质吸收系数;L是吸收路径的长度; C是气体浓度。 如果L 与α λ已知,那么通过检测 I λ和I0λ就 可以测得气体的浓度。 这就是光谱吸收法测量气体 浓度的基本原理。 宽带光源L ED的谱线宽度一般覆 盖气体多个吸收线,气体吸收仅占光源光强的几千 分之一,灵敏度很低,只能检测千分之几体积浓度的 气体。 因而,选择窄带光源是比较理想的选择,DFB LD虽然是气体传感用比较理想的光源 [224] ,但其价 格昂贵,限制了它的应用。 乙炔具有梳状吸收峰,本 文应用宽带光源和梳状滤波器来实现其浓度的谐波 检测,提高了测量的灵敏度。 若入射光光谱较宽,覆盖一族气体吸收峰,经过 气体吸收后,其光谱变为梳状如图1所示。 图1 采用F2P腔调制实现气体检测 由于气体吸收峰窄、 吸收强度小,因此相对光功 率的变化值很小,检测比较困难。若应用一个和气 体吸收峰相匹配的梳状滤波器,气体吸收引起的相 对输出光功率变化将会大大提高,检测效率可得到 改善。当Fabry2Perot腔作用于宽带光源LED时, 会选择出一系列纵模谱λk,如图1所示。 用频率来表 示是等间隔的,每条单模谱线宽度随干涉腔的反射 率R及厚度d的增大而减小,其强度分布为 Ikλ Ikλk / [ 1 Fsin22πd/λk ] 2 式中Ikλ 每一纵模谱线的光强度; F 干 涉腔谱线的精密度, F 4 R/ 1 - R 2 ∫ ∞ 0 Ikλdλ I03 当此纵模光束通过气体时 Ik ∫ ∞ -∞ Ikλ / [ 1 Fsin22πd/λk ] dλk- ∫ ∞ -∞ cL gλk,λ i I kλ / [ 1 Fsin22πd/λk ] dλk4 式4中 第 一 项 实 际 上 是L ED入 射 到 Fabry2Perot干涉腔后的透射光,没有参与气体的吸 收。 由于LED的谱宽较大,出射光实际上是多光束 光强的直接叠加,即IT I01- R / 1 R ,得 I I01- R / 1 R - Lcα0 ∑∫ ∞ -∞ g λk,λi I kλ 1 Fsin22πd/λk dλk5 由于气体线型函数 g λi-λk的线宽相对 Fabry2Perot干涉腔的纵模谱线线宽要小很多,可以 近似认为 g λi-λk δ λk-λi。 这时式5变为 I I01- R/ 1 R - Lcα0 ∑ i Ii/ [1 Fsin22πd/λi 6 λi 气体梳状吸收谱线的某一谱线中心波长。 设λ 0为气体梳状吸收谱线位于中心位置处的 某一吸收线的中心波长,ν01/λ0,ν11/λi为其波 数,δ ν为气体梳状吸收谱线之间的平均间隔,则吸收 谱带可以表示为νiν0iδ ν,若选择d d0 d 0满 足2π ν0d0 mπ , 并使 d0 n/2δ ν7 式中m , n 正整数 这样就使干涉腔的纵模谱线与气体的吸收谱线 重合,气体的吸收最强,检测灵敏度最高,这时式6 写为 I I01- R / 1 R - Lcα0 ∑ i Ii8 由于环境等的干扰,要保持式7成立总是很 困难的,为此对干涉腔的厚度用一小正弦信号进行 调制,即当d d0 dxsinωt时, I I01- R / 1 R - Lcα0 ∑ i Ii/ [1 Fsin2ixsin ω t ]9 式中i 直流偏置,i2πd0/λi x 调制深度,x2πdx/λi 由于调制应该在F2P滤光模式线内进行,调制 幅度应该很小,所以可以认为 x2πdx/λ0 2π νodx,对式9进行傅立叶展开,取其前三项 [5] 为 Idc≈I01- R / 1 R10 Iω≈4α0 c L 1- R / 1 R ∑ ∞ m 1 R mJ 12mx ∑ i Iisin2mi11 I2ω≈4α0 c L 1- R / 1 R ∑ ∞ m 1 R mJ 22mx ∑ i Iicos2mi12 式中Jn n阶贝塞尔函数 516第3期刘 瑾,杨海马等新型光纤乙炔气体传感器的研究 从式11和12可以看出,如果使一次谐波Iω 0,则式7成立,而二次谐波I2ω得到稳定的极大值 I2ω≈4α0c L I01- R/ 1 R ∑ ∞ m 1 R mJ 22mx 13 利用一次谐波作为误差信号,可以将F2P腔透 射波长锁定在气体吸收峰上。 I2ω/ Idc≈4α0c L ∑ ∞ m 1 R mJ 22mx 14 由式14可以看出,检测二次谐波分量与直流 分量的比值I2ω/ Idc可以消除光源光功率的影响。 2 系统组成 梳状滤波器方案对光源波长的稳定的要求没那 么苛刻。图2是一个基于上述原理的乙炔测量系统。 所用光源中心波长为1. 55μm。梳状滤波器为一 Fabry2Perot干涉仪,腔长为500μm ,锐度为5。滤波 器特性和气体吸收峰相匹配;气室的长度为0. 5 m , 由于是工作在反射状况,其有效作用长度为1 m。 图2 测量系统 为了保证系统的稳定工作,需要将滤波器的透 射波长锁定在乙炔气体的梳状吸收线上。乙炔气体 的近红外光谱如图3所示。可以应用一个小正弦信 号调制Fabry2Perot干涉仪的腔长,这样做相当于 调制梳状滤波器的透射波长.由于滤波器的透射波 长和气体吸收线的相对错位,波长的调制导致输出 光强度的调制。若滤波器的中心透射波长和吸收线 中心波长一致,则强度调制主要含有二次谐波分量, 一次谐波可以忽略不计。若有偏差,则会产生一次 谐波。可以作为误差信号用来调节Fabry2Perot干 涉仪的腔长,保证滤波器的中心透射波长始终锁定 在吸收线的中心波长上.滤波器的稳定可以用一参 考气室引入一反馈回路来实现,也可以直接应用传 感器输出的一次谐波作为误差信号来进行。滤波器 Fabry2Perot干涉仪经过稳定后,系统输出的二次 谐波分量将正比于气体的浓度,若用二次谐波和直 流分量的比值作为传感器输出,还可以克服光源光 强波动影响。 图3 乙炔近红外吸收光谱 3 实 验 采用图2中所示的系统进行实验。采用1 km 的石英光纤,气室长度为50 cm ,选择波长响应范围 在900～1 670 nm的InGaAs PIN光电二极管作为 光电探测器,采用不同浓度的C2H2和氮气的混合 气体进行实验,实验数据如表1所示。 表1 实验数据 输入值/ C2H20. 000 0. 100 0. 200 0. 500 1. 000 输出值/ C2H20. 000 0. 102 0. 199 0. 505 0. 998 实验证明,传感器的响应值与气体浓度呈线性 关系,可以实现检测20010 - 6 的乙炔气体,注入 C2H2标准气体反复测量,其重复性、 稳定性良好。 4 结 论 理论与实验表明,应用宽带光源和梳状滤波器 可以实现乙炔浓度的谐波检测,大大的提高了测量 的灵敏度。系统灵敏度高、 重复性好。为气体检测 提供了一种新的方法。 参考文献 [1] 靳伟,廖延彪,张志鹏.导波光学传感器原理与技术[ M].北 京科学出版社,1998 2542255. [2] Welden V , Phelan P , HegartyJ. Methane and Carbon Dioxide Sensing Using a DFB Laser Dioxide Operating at 1. 64μm[J ]. Electronics Letters , 1993 , 296 5602561. [3] Shimose Y, Okamoto T , Maruyama A , et al. Remote Sensing of Methane Gas by Differential Absorption Measurement U2 sing a Wavelength Tunable DFB LD [J ].IEEE Photonics Technology Letters , 1999 , 31 1782181. [4] Tai H. Long Distance Simultaneous Detection of Methane and Acetylene by Using Diode Lasers Coupled with Optical Fibers [J ]. IEEE Photonics Technology Letters , 1992 , 4 7 8042 807. [5] Jin W , Stewart G, Culshaw B. Absorption Measurement of Methane Gas with a Broadband Light Source and Interferomet2 ric Signal Processing[J ]. Optics Letters , 1993 , 186 13642 1366. 616传 感 技 术 学 报2006年