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Optical fiber gas sensor. Chapter 7. Outline. 光纤气体传感概况 气体的吸收光谱 红外光谱吸收型气体传感器的原理 红外光谱吸收型气体传感系统的设计. 一、光纤气体传感概况. 瓦斯爆炸是我国煤矿大型事故的主要安全隐患
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Optical fiber gas sensor Chapter 7
Outline • 光纤气体传感概况 • 气体的吸收光谱 • 红外光谱吸收型气体传感器的原理 • 红外光谱吸收型气体传感系统的设计
一、光纤气体传感概况 • 瓦斯爆炸是我国煤矿大型事故的主要安全隐患 • 自新中国成立以来，一次性死亡100人以上的特大事故，发生过20起，死亡3200余人。其中18起是由瓦斯和粉尘爆炸引起的，造成3052人死亡。仅2005年1到5月份，全国煤矿发生一次死亡10人以上的特大事故23起、死亡682人，其中瓦斯事故18起、死亡599人。与世界上先进采煤国家相比，差距很大，美国生产和消费量均占世界的五分之一左右，近年来每年由各种原因导致的死亡人数只有４０人左右。[新华网] • 环境监测上有重要意义 • 甲烷吸收红外线的能力是二氧化碳的15～ 30 倍, 占据整个温室贡献量的15% [Science ]。 • 空气中甲烷的浓度每年大约以百分之一的速度增长[Nature]。
大型电力变压器的安全监测 强电磁会干扰电子式传感器的工作。
易燃、易爆化学品仓库的监测 • 气体检测的方法 • 化学法 • 气相色谱法 • 光谱法
1. 传感型光纤气体传感器 • 光纤气体传感器的分类
二、气体的吸收光谱 • 气体分子的振、转能级
dB nm
三、红外光谱吸收型气体传感器的原理 Beer-Lambdet law I=I0exp(-kcl)
直接吸收式 缺点：系统稳定性差，灵敏度低。 • 调制技术 • 光源调制、气体浓度调制、吸收系数调制，调制可以通过锁相放大器或滤波器消除系统固有的噪声。
差分吸收式 • 单波长双光路、双波长单光路 差分技术从理论上消除了光路的干扰与光源输出光功率不稳定的影响，但系统的固有噪声无法消除，精度几百ppm。
选择波长相近的两束光通过吸收池，一束光波长在吸收峰内，另一束在吸收峰外。选择波长相近的两束光通过吸收池，一束光波长在吸收峰内，另一束在吸收峰外。
差别很小，可略去。 设计光学系统，使：
泰勒展开： 浓度的表达式：
谐波法检测 系统复杂，灵敏度高，10ppm
四、红外光谱吸收型气体传感系统的设计 • 气体吸收谱线的选择 查阅相关数据库，如 HITRAN，选择吸收较强的谱线 尽量选择1300nm-1800nm区间的谱线，最好是在C波段，损耗低、光源及探测器易得。 如：甲烷，可选用1330nm或1650nm波段
传感形式的选择 差分吸收式简便易行，谐波式精度高。 • 传感吸收气室的设计 吸收光程要长，防尘、防潮，易维护。 • 噪声的抑制 调制、锁相放大。
1- 瓦斯探头悬挂杆 2- 出气孔 3- 不锈钢金属外壳 4- 防尘材料层 5- 防潮材料层 6- 光纤瓦斯传感器探头实图 7- 入气孔 8- 出纤孔
