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光学工程
近红外波长瓦斯浓度检测技术
       瓦斯气体浓度的检测在煤炭、化工、石油和其它工业,尤其在矿物质的开采中极为重要。瓦斯气体是一种可燃、可爆性气体,其爆炸上限为15Vol%,下限为5Vol%。 其引发的事故在矿山开采历史上造成了极大的危害。很久以来各国科学工作者对瓦斯浓度的测量作了不懈的努力。现已研制出的干式、湿式气敏元件、热电阻瓦斯传感器、半导体气敏元件等都在瓦斯浓度检测中起到了良好的作用,大大降低了瓦斯事故发生率。
    近几年来,光导纤维传感技术在世界上逐渐兴起。光纤传感器具有一些常规传感器无可比拟的优点,如灵敏度高,响应速度快,动态范围大,防电磁干扰,超高绝缘,无源性,防燃防爆,适于远距离遥测,体积小,可灵活柔性挠曲等,很适于在恶劣和危险环境中应用,因而得到广泛重视。光纤瓦斯传感器的研究起步较晚,直到上世纪八十年代才有人报导了光纤瓦斯检测的实验。现在瓦斯检测的方法主要有两种,一是利用瓦斯气体的光谱吸收检测浓度;二是利用瓦斯浓度和折射率的关系用干涉法测折射率。
    单波长吸收比较型
    吸收法的基本原理均是基于光谱吸收,不同的物质具有不同特征吸收谱线。单波长吸收比较型属吸收光谱型传感器,根据Lambert定律:

I=I0e-μcL
    其中I,I0为吸收后和吸收前射线强度
    μ为吸收系数
    L为介质厚度
    c为介质的浓度
    从上式可以看出,根据透射和人射光强之比,可以得知气体的浓度。单波长吸收比较型的原理图见图1。
    选择合适波长的光源。脉冲发生器使激光器发出脉冲光,或采用快速斩波器将连续光转变成脉冲光(斩波频率为数KHz),经透镜耦合进入光纤,并传输到远处放置的待测气体吸收盒,由气体吸收盒输出的光经接收光纤传回。干涉滤光片选取瓦斯吸收率最强的谱线,由检测器接收,经锁相放大器后送入计算机处理,根据强度的变化测量瓦斯浓度。
    窄带谱线吸收型
    瓦斯传感系统中,检测器所检测的光,其谱线宽度一般为0.02μm-0.1μm,而瓦斯气体的吸收谱线远窄于0.02μm。瓦斯在波长1.6μm-1.7μm的吸收谱线如下图所示。
由于检测谱线宽度远大于吸收谱线,即光谱中被吸收的成份很小,不利于高灵敏度检测。如果选择瓦斯吸收峰的窄带波长,则可获得大的检测对比度。但是选择单一波长则会由于模式噪声造成严重的干涉噪声,为了避免这个问题可以采用梳状滤波器来选择多个瓦斯峰位谱线,以降低光源的相干性,降低模式噪声。

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