范 典,陳 矯,吳志勇,周次明,歐藝文

(1.武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)國家工程實驗室,武漢 430070;2.武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院,武漢 430070;3.湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院,武漢 430068)

甲烷(CH4)是一種最為常見的工業(yè)氣體之一,濃度低于5%時易遇火燃燒,高于5%時即發(fā)生爆炸,因而甲烷是目前引發(fā)礦井事故的主要原因之一。同時甲烷也是一種溫室效應(yīng)影響高于二氧化碳二十倍的有害氣體[1]。因此,甲烷濃度的檢測對于安全生產(chǎn)、預(yù)防災(zāi)害、維護生態(tài)平衡等具有十分重大的意義和深遠的影響。目前應(yīng)用較為廣泛的甲烷濃度傳感技術(shù)是光譜吸收傳感技術(shù)[2]。該技術(shù)利用氣體分子對光信號的吸收損耗與氣體濃度成正比的特點來實現(xiàn)甲烷濃度的監(jiān)測。但該技術(shù)測量的是一次吸收的光強,光源的瞬時功率代表光源的輸出功率,因此對光源穩(wěn)定度要求較高。腔衰蕩[3]CRD(Cavity Ring-Down)技術(shù)與傳統(tǒng)的光譜吸收技術(shù)類似,都是基于Lambert-Beer[4]定律,但腔衰蕩技術(shù)中氣體對信號光并不是一次吸收的,而是在腔內(nèi)多次反復(fù)進行吸收,它測量的是信號光強度衰減的速率,而不是直接測量其衰減了多少。因此,相比與傳統(tǒng)的光譜吸收技術(shù),腔衰蕩技術(shù)不僅使靈敏度得到了大大提升,可達ppm量級[5],而且也降低了光源功率的波動對測量誤差的影響。然而腔衰蕩技術(shù)也存在不足,其衰蕩信號是隨時間變化的信號,需要對光源進行脈沖調(diào)制,從而需要高速探測與快速采集。

作為一種新穎的光纖傳感技術(shù),頻移干涉光纖腔衰蕩技術(shù)將光纖腔衰蕩技術(shù)與頻移干涉技術(shù)融合在一起,利用差分頻移干涉信號的相位與光環(huán)行距離成正比的特點,通過快速傅里葉變換將衰蕩信號從時間域變換到頻域,解決了傳統(tǒng)腔衰蕩技術(shù)對探測和采集設(shè)備要求過高的問題,同時也獲得了靈敏度極高的優(yōu)勢[6]。中國計量學(xué)院提出的一種基于Sagnac/Mach-Zehnder混合干涉儀原理的光纖傳感檢測及定位系統(tǒng)[7],通過分布式光纖傳感器獲取由管道氣體泄漏引起的光干涉信號,采用美國NI公司的數(shù)據(jù)采集卡和虛擬儀器軟件Labview對檢測信號進行采集和分析,實現(xiàn)管道氣體泄漏檢測。

南洋理工大學(xué)的Ni N等[8]首次提出了一個腔衰蕩光纖放大環(huán)氣體傳感系統(tǒng)的精確模型。通過在系統(tǒng)中引入最小均方差適應(yīng)濾波器,可以減小由引入摻鉺光纖放大器(EDFA)而造成的放大器自發(fā)輻射(ASE)噪聲,提高測量的靈敏度。2011年,葉飛等人將頻移干涉光纖腔衰蕩技術(shù)應(yīng)用于光纖彎曲損耗的測量,獲得的損耗低達0.013 5 dB[9]。次年,他們又利用該技術(shù)測量1-辛炔溶液的濃度和折射率,探測極限為0.29%[10]。2014年,本課題組將基于磁流體的磁場傳感器插入頻移干涉光纖衰蕩系統(tǒng)中,實現(xiàn)了磁場強度的測量,獲得的分辨率為0.001 05 dB/Gs[11]。2015年,本課題組又結(jié)合頻移干涉光纖腔衰蕩技術(shù)與雙波長差分吸收技術(shù)的優(yōu)勢,對乙炔氣體的濃度進行了測量,測量誤差小于0.29%,分辨率達7.812 5%/dB[12]。

本文提出將頻移干涉光纖腔衰蕩技術(shù)應(yīng)用于甲烷氣體的濃度檢測。通過將光纖衰蕩腔接入頻移干涉Sagnac環(huán)中,制作光纖準直鏡型微氣室并采用快速傅里葉變換算法,實現(xiàn)了0～4.0%范圍內(nèi)甲烷氣體的濃度測量,驗證了光纖腔內(nèi)損耗與甲烷濃度的關(guān)系,與理論結(jié)果吻合良好。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)為甲烷氣體的濃度測量提供了一種高靈敏度、簡單經(jīng)濟的在線測量方法。

1 氣體傳感系統(tǒng)原理

基于頻移干涉光纖腔衰蕩技術(shù)的甲烷氣體傳感系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 頻移干涉腔衰蕩傳感系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)包含光纖腔衰蕩頻移干涉干涉儀,可調(diào)諧激光器(TSL)、光纖環(huán)形器、聲光調(diào)制器(AOM)及其驅(qū)動、平衡探測器(BD)、數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)和計算機八個部分。其中,光纖腔衰蕩頻移干涉儀本質(zhì)上屬于光纖Sagnac干涉儀,通過在Sagnac環(huán)中不對稱地一個插入頻移器(這里為AOM)、并且插入一個光纖衰蕩環(huán)而構(gòu)成,如圖1中的虛線框所示。其中,C1為50/50光纖耦合器;C2和C3是99.5/0.5的光纖耦合器;Gas cell為微型氣室。PC1、PC2為偏振控制器。光纖耦合器一般用于光器件的連接或是用于實現(xiàn)光信號的分路、合路。本實驗采用的是2×2單模光纖耦合器和兩個1×2單模光纖耦合器,分別采用了分光比為50∶50和99.5∶0.5的兩種耦合器。衰蕩環(huán)內(nèi)采用高分光比的耦合器,光進入衰蕩環(huán)內(nèi)大部分光在環(huán)內(nèi)繼續(xù)傳輸,小部分被氣室吸收,增加了光在環(huán)內(nèi)傳輸?shù)娜?shù),使得實驗結(jié)果更易于測量。

連續(xù)波光源發(fā)出頻率為ν的激光經(jīng)過環(huán)形器和耦合器C1后,分成沿順時針和逆時針方向傳播的兩束光。順時針方向的傳輸光經(jīng)過l1先到達衰蕩環(huán),在環(huán)內(nèi)經(jīng)過氣室到達C3,其中的大部分光經(jīng)l3繼續(xù)在環(huán)內(nèi)傳輸,小部分光從環(huán)內(nèi)泄露出、由l4經(jīng)過AOM發(fā)生頻移+f,最后到達C1。而逆時針方向的傳輸光則先經(jīng)過AOM再到達衰蕩腔,同樣每轉(zhuǎn)一圈其中的大部分光在衰蕩腔內(nèi)繼續(xù)傳播,小部分光從C2處輸出經(jīng)l2到達C1。雖然兩個方向上經(jīng)過相同圈數(shù)的光束有著相同的光程,但是由于發(fā)生頻移的位置不同,兩者之間產(chǎn)生恒定的相位差從而形成干涉。在平衡探測器處,差分干涉信號的強度ΔI為

(1)

(2)

式中:α為氣體的吸收損耗系數(shù),-lnκ′為無氣體充入時衰蕩腔的損耗系數(shù)(包含氣室的插入損耗),即空腔傳輸系數(shù)。因此,空腔衰蕩距離為:

(3)

結(jié)合式(2)和式(3)可得氣體的吸收損耗系數(shù)α為:

(4)

因此,以dB為單位的氣體吸收損耗可寫成:

(5)

由于氣體的吸收損耗與氣體的吸收系數(shù)ζ、氣體濃度C及氣室的長度l0成正比,即

δgas=10loge·ζCl0

(6)

氣體的濃度可以表示為:

(7)

2 甲烷吸收峰及吸收系數(shù)

由光譜吸收的基本原理Lambert-Beer定律:

I0(λ)=Ii(λ)e-α(λ)l

(8)

由式(8)可知,光強衰減快慢與氣體的吸收系數(shù)μm相關(guān),不同的氣體分子有不同的特征μm。并且,同一氣體在不同波長下的吸收系數(shù)也不同。為了更顯著地得到氣體吸收的衰蕩信號,更精確地測量氣體的濃度,波長地選擇也就至關(guān)重要。

甲烷氣體的振動基頻為ν1=1 305.9 cm-1、ν2=1 533.3 cm-1、ν3=3 018.9 cm-1、ν4=2 913.0 cm-1,對應(yīng)光譜吸收區(qū)的波長為λ1=7.66 μm、λ2=6.52 μm、λ3=3.31 μm、λ4=3.43 μm,在這些波長處有較強的吸收。但由于該波段是光纖的高損耗區(qū),而未被用于實用當(dāng)中。通過利用其泛頻帶2ν1和組合帶2ν1+ν2,雖然它們的吸收要比基頻帶低很多,但它們位于石英光纖的低損耗區(qū),更易于在光纖中傳輸,光源更常見、便于實現(xiàn)而被廣泛地采用。通過上面的分析,我們選取波數(shù)范圍為4 000 cm-1～10 000 cm-1作研究分析。通過在Hitran數(shù)據(jù)庫[13]下載波數(shù)范圍為4 000 cm-1～10 000 cm-1的數(shù)據(jù),利用javaHawks軟件模擬出在溫度300 K,標準大氣壓下甲烷的吸收強度譜線圖。Hitran數(shù)據(jù)庫是由美國空軍為軍事目的研究大氣的紅外特性而開發(fā)的。其研究成果在氣體遙感測量、大氣微量氣體弱吸收研究、雷達、激光傳輸研究等諸多方面有著廣泛的應(yīng)用。它由分子譜線的光譜參數(shù)組成的數(shù)據(jù)庫以及基于這些參數(shù)的仿真軟件javaHawks兩部分組成。利用該數(shù)據(jù)庫結(jié)合javaHawks軟件,可以準確的模擬光在特定環(huán)境中的特性。

由波數(shù)和強度的關(guān)系圖我們可以看出,在光纖通信窗口的波段1 330 nm和1 650 nm處,甲烷分子有較強的吸收譜。但在1 330 nm處,水分子對該波長也會有吸收作用。因此,可能會對實驗結(jié)果造成一定影響。因此我們重點對 1650 nm附近波段進行了研究。由 Hitran 數(shù)據(jù)庫給出甲烷分子在波數(shù)范圍為6 000 cm-1～6 100 cm-1、溫度300 K,標準大氣壓下對應(yīng)的譜線強度如圖2所示。

圖2 波數(shù)范圍為6 000 cm-1～6 100 cm-1的譜線強度

根據(jù)Hitran數(shù)據(jù)庫中提供的數(shù)據(jù),最后我們選擇的吸收峰為 1 653.722 nm。利用MATLAB模擬波長從 1600 nm 到1 680 nm范圍處甲烷的吸收系數(shù),最后得到吸收峰處甲烷的吸收系數(shù)為0.19。

3 實驗過程及結(jié)果分析

實驗系統(tǒng)框圖如圖1所示。TSL光源(Santec TSL-510)的輸出功率和波長分別設(shè)置為8 mW和 1 653.722 nm,其工作模式設(shè)置為窄線寬的相干模式。AOM(Brimrose AMM-100-20-25-1550-2FP)在AOM驅(qū)動器的控制下進行頻率掃描,掃描的范圍為90 MHz～110 MHz,步進0.02 MHz,對應(yīng)的掃描時間間隔為1 ms。平衡探測器(New Focus Model 2117)采用差分探測技術(shù),可有效抑制背景噪聲從而提高信噪比,其增益設(shè)置為1×104。計算機內(nèi)嵌的Labview程序用于實現(xiàn)TSL波長掃描、AOM頻率掃描與數(shù)據(jù)采集卡采集之間的同步,同時對采集卡(NI USB-6361)采集的數(shù)據(jù)做后續(xù)處理。由于干涉光的偏振態(tài)容易受到外界環(huán)境(如溫度、震動、聲音及壓力等)的影響,實驗過程中始終保持室溫的穩(wěn)定,使用兩個偏振控制器調(diào)節(jié)偏振態(tài),并將頻移干涉衰蕩腔密封起來,以隔絕外界因素的影響。

衰蕩腔中插入的氣室由一對間隔5 cm的漸變型光纖準直鏡制作而成,如圖3所示。其插入損耗約為0.39 dB。該氣室采用圓柱體型有機玻璃進行固化與封裝,以保證氣體的通行順暢。為了獲得不同濃度的甲烷氣體,本實驗中將濃度為4%的甲烷氣體和純氮氣體一齊充入混氣儀中,通過設(shè)置不同的流量比而獲得。根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫提供的信息可知,甲烷在1 653.722 nm吸收峰處的吸收系數(shù)ζ為0.19 cm-1,故由式(6)可得甲烷吸收損耗與甲烷濃度關(guān)系的理論值為:

δgas=10lge×0.19×5×C×%=0.041 258 5C

這個理論值體現(xiàn)了甲烷濃度和腔內(nèi)損耗之間的變化,即濃度每變化1%,腔內(nèi)損耗0.041 258 5 dB。

圖3 自聚焦透鏡構(gòu)成的氣室結(jié)構(gòu)

氣室中每次充入一種濃度的氣體時,都要持續(xù)充氣3 min以上,以保證最近濃度氣體的完全排除從而不影響其測量精度。測試每種濃度的氣體時,重復(fù)測量5次后取其平均值,以進一步提高系統(tǒng)的測試精度。圖4所示的即為一個平均之后所獲得的時域干涉信號?？梢姼缮嫘盘柣旧想S時間按照余弦規(guī)律變化。時域干涉信號經(jīng)過一系列快速傅里葉變換、尋峰與擬合等處理,可以得到按指數(shù)規(guī)律衰減的衰蕩曲線以及對應(yīng)的衰蕩距離,再結(jié)合式(5)便可以獲得氣體的吸收損耗。

圖4 時域干涉信號圖

系統(tǒng)充入純氮氣時所獲得的衰蕩信號如圖5所示。由圖5可知,兩個相鄰傅里葉峰之間的間隔約為61 m,這和衰蕩腔的實際長度60 m吻合良好。

圖5 充入純氮氣時獲得的衰蕩信號及其擬合曲線

該衰蕩曲線中有14個清晰可見的傅里葉峰,選取前13個峰來進行峰值提取與指數(shù)擬合,可得如圖5中紅線所示的指數(shù)衰減曲線。通過計算衰蕩距離可知,充入純氮氣時的衰蕩腔損耗即空腔損耗為1.221 846 dB。接著依次向氣室中通入0.4%、0.8%,1.2%,…,4.0%等10種濃度的甲烷氣體,可獲得如圖6所示的一系列指數(shù)衰減曲線。可見,濃度越高,信號衰減越快,說明衰蕩距離越短,衰蕩腔損耗越高。

圖6 不同甲烷濃度下衰蕩信號幅度隨距離的變化

將不同甲烷濃度下測得的衰蕩腔損耗與甲烷濃度作線性擬合,可得到如圖7所示的關(guān)系曲線。由圖形可知隨著甲烷濃度的增加,腔內(nèi)損耗也呈線性增大。甲烷濃度和腔內(nèi)損耗之間線性擬合的公式為,其中x為氣體的濃度(%),y為腔內(nèi)損耗,該曲線的線性擬合度為0.991 52,對應(yīng)的該傳感系統(tǒng)的靈敏度為0.041 3 dB/%,這與理論值0.041 258 5 dB/%吻合。

圖7 腔內(nèi)損耗與甲烷濃度的關(guān)系曲線

由前面的分析可知,理論計算出的氣體吸收損害和濃度的關(guān)系和實際擬合的斜坡度基本上一致。也就驗證了該系統(tǒng)可以用于甲烷濃度的測量。

4 結(jié)論

本文提出并建立了一種基于頻移干涉光纖腔衰蕩技術(shù)的新型甲烷氣體傳感系統(tǒng),并通過實驗進行了驗證。在眾多甲烷氣體傳感技術(shù)中,基于光譜吸收的腔衰蕩傳感技術(shù)由于靈敏度高、對光源幅度漲落不敏感等優(yōu)點而備受關(guān)注。由于光纖材料的優(yōu)良性能,將光纖結(jié)合腔衰蕩技術(shù)的光纖環(huán)形腔衰蕩技術(shù)應(yīng)運而生。其相比于傳統(tǒng)的高反射鏡腔衰蕩,它體積小、結(jié)構(gòu)簡單、更易于實現(xiàn)。本文提出的頻移干涉腔衰蕩技術(shù)是將光纖環(huán)形腔衰蕩結(jié)合頻移干涉技術(shù),實現(xiàn)了時間域到空間域的轉(zhuǎn)換,不需要對連續(xù)波進行調(diào)制并且降低了對探測設(shè)備速度的要求。頻移干涉腔衰蕩作為一種新技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)對甲烷氣體的傳感。通過搭建實驗平臺,得到不同濃度下甲烷氣體的衰蕩曲線,對實驗結(jié)果進行了分析驗證。本文的主要工作及成果如下:

①對幾種光纖氣體傳感技術(shù)作了比較,分析了其原理及優(yōu)缺點。根據(jù)光譜吸收型技術(shù)的發(fā)展,重點對腔衰蕩技術(shù)及頻移干涉腔衰蕩技術(shù)進行了深入的理論分析和研究。從理論上分析了頻移干涉腔衰蕩系統(tǒng)在光源和探測器上的優(yōu)勢,詳細介紹了系統(tǒng)光路,并推導(dǎo)了其損耗的計算方法。

②對頻移干涉腔衰蕩系統(tǒng)進行了硬件選型和軟件設(shè)計。制作了用于氣體傳感的氣室,其插入損耗低,性能優(yōu)良。介紹了相關(guān)硬件的原理及參數(shù),并分析了會對實驗系統(tǒng)造成影響的因素。介紹了軟件流程圖,詳細介紹了Labview程序?qū)?shù)據(jù)的采集和處理過程。

③對甲烷氣體吸收峰和吸收系數(shù)進行了研究,并得到相關(guān)數(shù)據(jù)。搭建實驗平臺,向氣室內(nèi)通入濃度為0%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%、2.4%、2.8%、3.2%、3.6%、4.0%的甲烷氣體,得到衰蕩曲線,計算相關(guān)損耗。分析其濃度和損耗對應(yīng)的關(guān)系,擬合成一條直線,其斜率滿足氣體吸收理論,驗證該系統(tǒng)可以用于甲烷氣體濃度的測量。