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激光檢測

近紅外波長瓦斯?jié)舛葯z測技術(shù)

星之球激光 來源:中國激光網(wǎng)2011-11-14 我要評論(0 )   

瓦斯氣體濃度的檢測在煤炭、化工、石油和其它工業(yè),尤其在礦物質(zhì)的開采中極為重要。瓦斯氣體是一種可燃、可爆性氣體,其爆炸上限為15Vol%,下限為5Vol%。 其引發(fā)的...

     瓦斯氣體濃度的檢測在煤炭、化工、石油和其它工業(yè),尤其在礦物質(zhì)的開采中極為重要。瓦斯氣體是一種可燃、可爆性氣體,其爆炸上限為15Vol%,下限為5Vol%。 其引發(fā)的事故在礦山開采歷史上造成了極大的危害。很久以來各國科學工作者對瓦斯?jié)舛鹊臏y量作了不懈的努力?,F(xiàn)已研制出的干式、濕式氣敏元件、熱電阻瓦斯傳感器、半導體氣敏元件等都在瓦斯?jié)舛葯z測中起到了良好的作用,大大降低了瓦斯事故發(fā)生率。


    近幾年來,光導纖維傳感技術(shù)在世界上逐漸興起。光纖傳感器具有一些常規(guī)傳感器無可比擬的優(yōu)點,如靈敏度高,響應(yīng)速度快,動態(tài)范圍大,防電磁干擾,超高絕緣,無源性,防燃防爆,適于遠距離遙測,體積小,可靈活柔性撓曲等,很適于在惡劣和危險環(huán)境中應(yīng)用,因而得到廣泛重視。光纖瓦斯傳感器的研究起步較晚,直到上世紀八十年代才有人報導了光纖瓦斯檢測的實驗?,F(xiàn)在瓦斯檢測的方法主要有兩種,一是利用瓦斯氣體的光譜吸收檢測濃度;二是利用瓦斯?jié)舛群驼凵渎实年P(guān)系用干涉法測折射率。


    單波長吸收比較型


    吸收法的基本原理均是基于光譜吸收,不同的物質(zhì)具有不同特征吸收譜線。單波長吸收比較型屬吸收光譜型傳感器,根據(jù)Lambert定律:


I=I0e-μcL


    其中I,I0為吸收后和吸收前射線強度


    μ為吸收系數(shù)


    L為介質(zhì)厚度


    c為介質(zhì)的濃度


    從上式可以看出,根據(jù)透射和人射光強之比,可以得知氣體的濃度。單波長吸收比較型的原理圖見圖1。


    選擇合適波長的光源。脈沖發(fā)生器使激光器發(fā)出脈沖光,或采用快速斬波器將連續(xù)光轉(zhuǎn)變成脈沖光(斬波頻率為數(shù)KHz),經(jīng)透鏡耦合進入光纖,并傳輸?shù)竭h處放置的待測氣體吸收盒,由氣體吸收盒輸出的光經(jīng)接收光纖傳回。干涉濾光片選取瓦斯吸收率最強的譜線,由檢測器接收,經(jīng)鎖相放大器后送入計算機處理,根據(jù)強度的變化測量瓦斯?jié)舛取?/p>


    窄帶譜線吸收型


    瓦斯傳感系統(tǒng)中,檢測器所檢測的光,其譜線寬度一般為0.02μm-0.1μm,而瓦斯氣體的吸收譜線遠窄于0.02μm。瓦斯在波長1.6μm-1.7μm的吸收譜線如下圖所示。

 


    由于檢測譜線寬度遠大于吸收譜線,即光譜中被吸收的成份很小,不利于高靈敏度檢測。如果選擇瓦斯吸收峰的窄帶波長,則可獲得大的檢測對比度。但是選擇單一波長則會由于模式噪聲造成嚴重的干涉噪聲,為了避免這個問題可以采用梳狀濾波器來選擇多個瓦斯峰位譜線,以降低光源的相干性,降低模式噪聲。

 

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