基于光纤环衰荡腔的甲烷传感系统

郭继坤， 赵肖东， 马鹏飞

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，哈尔滨150022)

0 引 言

在煤炭和石油开采的过程中，常有瓦斯气体溢出。瓦斯气体的主要成分是甲烷，甲烷是一种易燃易爆的气体，在有限的空间里达到一定的比例就会引起爆炸。尤其在矿井下，能够有效准确地检测甲烷气体的浓度，可以减少矿难的发生。目前，煤矿常见的气体浓度检测方法较多，如安全灯法、热传导法、红外光谱吸收法、光干涉法、气敏半导体法以及催化燃烧法等［1－3］，诸多方法均有各自的不足之处。鉴于此，笔者研究了光纤环衰荡腔光谱吸收方法，设计光纤甲烷传感系统，解决以往传感器灵敏度不高、测量速度慢、检测范围小和柔性不好等问题。

1 衰荡腔光谱甲烷气体吸收原理

衰荡腔光谱［4］(cavity ring －down spectroscopy，CRDS)吸收法是一种高灵敏的光谱吸收技术，其基本原理如图1 所示。

图1 衰荡腔光谱示意Fig．1 Schematic diagram of cavity ring-down spectroscopy

衰荡腔由两块性能稳定的高反射镜组成，一束脉冲激光经由第一片反射镜进入光衰荡腔内后，在两块反射镜间来回发射，由于透射作用每次反射都有激光从另一端的腔镜透射出去，同时腔体内部也有损耗，使从腔体内透射出来的光强逐渐减弱，在光的透出端使用高灵敏度的光电探测仪接收腔体内部漏出的光信号。如果激光输出的脉冲周期远大于光子在腔内的振荡时间，并且光电探测器的响应时间足够快，就会得到一个脉冲序列。脉冲序列的强度峰值变化随时间增长呈指数衰减［5－6］。

设两个高反射率腔镜的反射率分别为R1和R2，腔内甲烷气体的系数为α，衰荡腔的腔长为L，开始时入射光的强度为I0，经过n 次反射的出射光的强度为In，光强的吸收变化满足Beer－Lambert 气体吸收定律［7］。

光脉冲在腔内往返一个来回的时间tr=2L/c，其中c为光在空气中的传播速度，带入式(1)得到

式(2)可简化为

于是，令衰荡时间

通常两个腔镜的反射率是相等的，可设R =则

式(5)中，ts=tr/2 =L/c，为光脉冲信号在腔内单程的运动时间。当腔内没有任何甲烷气体时，即气体吸收系数为零，此时衰荡时间为

由式(6)可知，在衰荡腔长一定的条件下，光脉冲在腔内的衰荡时间由腔镜的反射率决定。一般地，腔镜的反射率R≥0.999，因此，式(5)可用泰勒级数展开，并取级数的第一项，则有

设

在衰荡内没有甲烷气体时，即α =0、k =k0，带入式(8)简化得

由此可见，在衰荡腔腔镜反射率的确定和吸收腔的腔长一定的条件下，甲烷气体的吸收系数与气体在腔内的衰荡时间倒数成正比。由于甲烷气体的吸收系数是固定不变的，所以对同一气体进行波长扫描，就可以得到该气体在不同波长下的吸收光谱。

式(10)中，τ0为腔内不含待测气体时的衰荡时间。

令Δτ=τ－τ0，则有

由式(11)可知，当给定一个衰荡腔时，反射率R和腔长L 就已经给定，如果我们测得空腔时的衰荡时间和腔内含有甲烷气体时的衰荡时间，就可以求得甲烷气体的吸收系数，计算出甲烷气体的浓度信息。

2 EDFA 光纤光放大原理

掺铒光纤放大器(EDFA)随着密集波分复用(DWDM)技术的成熟也得到广泛运用。掺铒光纤放大器具有带宽大、增益高、噪声低、对光偏振状态不敏感等优点。文中采用掺铒光纤放大器(EDFA)设计了光信号的放大系统，系统结构如图2 所示。系统是由光隔离器、波分复用器、泵浦光源、掺饵光纤和光滤波器组成。系统选择的泵浦光源工作波长为980 nm，激光泵浦源最大输出功率均为80 mW，采用双向泵浦的方式，以保证系统具有很好地抑制噪声性能和较大的输出功率。并采用一根长度为60 m 掺铒光纤来保证光线好的充分放大。在掺铒光纤的前后两端分别接了光纤光栅FBGt1和FBGt2组成光滤波器，其中，光纤光栅FBGt1是可调谐光纤光栅，用来调节掺铒光纤的增益系数，FBGt2则是不可调的固定光纤光栅，光纤光栅FBGt1黏贴在压电陶瓷(PZT)上，通过改变信号源电流，使压电陶瓷(PZT)产生伸缩，实现光源发出光信号的中心波长与待测甲烷气体吸收波长相吻合。光隔离器用来抑制反射光信号，使光放大器工作稳定。文中所设计放大器的工作原理是，当光源发出一定中心波长的光信号，经过光隔离，送入光纤光栅滤波后，得到与待测甲烷气体的中心吸收波长相吻合的光信号，光信号通过波分复用器和掺饵光纤进行光功率放大。

图2 掺饵光纤放大器Fig．2 Erbium doped fiber amplifier

3 甲烷传感系统的设计

目前光纤通信在近红外区有低损耗、低色散波段，甲烷气体的传感器的研究也主要在近红外波段，甲烷气体在近红外波段的两个吸收波长为1.33 μm和1.65 μm。由于1.65 μm 的吸收强度明显强于1.33 μm，所以系统选择1.65 μm 作为检测甲烷气体的中心吸收波长［8］。

基于光纤环衰荡腔甲烷气体浓度测量装置的系统如图3 所示。测量系统由可调谐激光脉冲发生器、光隔离器、增益可调掺铒光纤放大器、可调衰减器、微腔气室、耦合器、光电探测器、PC 机及光纤环路等部分组成。

图3 气体浓度的测量系统Fig．3 Gas concentration measurement system

系统的光脉冲产生器采用可调谐DFB 光脉冲发生器，输出脉冲宽度覆盖甲烷气体的中心吸收波长。可调掺铒光纤放大器的增益控制可调衰减器的衰减，均通过PC 机的控制程序调节，通过调节光纤环路中增益或可调衰减器的变化，改变光脉冲的衰荡时间，获得平稳的衰减信号。光纤光栅(FBG)是通过压电陶瓷(PZT)电致伸缩效应实现波长调制。压电陶瓷和光纤光栅黏贴在一起，这样就可以通过控制压电陶瓷的伸缩改变FBG 栅距Λ，达到对光脉冲中心波长的控制，实现与甲烷中心吸收波长吻合。微腔气室主要由气室和光纤准直系统构成，两个高反射准直透镜距离约为5 cm。它的作用是把光纤中出射的光束变成准直光，以减小耦合到光纤中的损耗，使测量的气体浓度信息更加精确。

系统开始工作时，首先由可调激光脉冲发生器产生脉宽为5 ns，波长包含甲烷气体吸收谱中心波长的激光脉冲，光脉冲经掺铒光纤放大器放大和可调衰减器调节，然后进入光纤光栅滤波后，再经微型腔吸收气室后待测气体吸收的光分为两路，一路由光电探测器接收送入PC 机进行处理。另一路光经光隔离器继续在光纤回路循环。当光电探测器探测到的光信号的幅值为初始信号的1/e 时，PC 机就根据测得的衰荡时间给出甲烷气体的浓度。

4 实验数据与仿真

利用上面搭建的气体浓度测量系统，对不同浓度下的甲烷气体进行衰荡时间测量。实验测量过程中，由于甲烷气体衰荡时间比较短，为方便测量，笔者通过调节EDFA 的增益和衰减器的参数来延迟衰荡时间，使组合调节增益参数与气体衰减在同一数量级。通过实验找出比较恰当的增益参数，使不同浓度气体的衰荡时间在可测量范围内。

首先对甲烷气体浓度φ 范围在10 ×10－6～100 ×10－6进行测量，浓度变化值为10 ×10－6，实验记录10 组数据。本次实验调节适当的增益参数约为0.001 dB，测量得到的10 组数据如表1 所示。由表1 可以得到气体衰荡时间与浓度的拟合关系，如图4所示。实验对CH4气体在10 ×10－6～100 ×10－6之间的部分浓度光的吸收程度随时间变化的仿真结果如图5 所示。

实验还对甲烷气体浓度范围在110 ×10－6～200 ×10－6进行测量，测量浓度间隔为10 ×10－6，实验记录10 组数据。本次实验确定的适当增益约为0.05 dB，实验测量10 组数据如表2 所示，由表2 可得到甲烷浓度与衰荡时间的拟合关系如图6 所示。实验对CH4气体在110 ×10－6～200 ×10－6之间的部分浓度光的吸收程度随时间变化的仿真结果，如图7 所示。

图4 甲烷气体浓度与衰荡时间的关系Fig．4 Relation between gas concentration and corresponding ring-down time

图5 甲烷气体光吸收程度随时间变化的关系Fig．5 Relation between light’s absorption and time with CH4

表1 甲烷气体浓度与衰荡时间Table 1 Gas concentration and ring-down time

表2 甲烷气体浓度与衰荡时间Table 2 Gas concentration and ring-down time

图6 甲烷气体浓度与衰荡时间的关系Fig．6 Relation between gas concentration and corresponding ring-down time

图7 甲烷气体光吸收程度随时间变化的关系Fig．7 Relation between light’s absorption and time with CH4

通过上述实验的数据和仿真结果可以看出，甲烷气体浓度与衰荡时间的拟合符合理论讨论的关系。实验过程中，由于测量系统光纤环路设计较短，所以甲烷气体衰荡时间比较短，测得衰荡时间的实验数据存在一定的误差。为了使误差减小，实验系统中引入了EDFA 和可调光信号衰减器的装置，调节EDFA 的增益和可调光信号衰减器的相关参数，延长系统的衰荡时间，得到的实验结果较好。

5 结束语

光纤环衰荡方法测量气体浓度的传感系统可靠。文中分析了光纤衰荡光谱法检测气体的基本原理。利用所设计的传感系统，对甲烷气体在不同浓度下光纤环路内的衰荡时间进行测量，并通过仿真软件对实验测量的数据进行拟合，得出甲烷气体衰荡时间与浓度的关系，验证了理论的正确性。该研究为光纤环衰荡方法在气体浓度检测领域的应用具有指导意义。

［1］曹利波．煤矿井下环境对甲烷催化元件性能影响的探讨［D］．重庆:煤炭科学研究总院，2008．

［2］张建飞，冀蓬举，宁浩轩，等．基于谐波检测与差分检测的光谱吸收型光纤瓦斯传感器［J］．仪表技术与传感器，2013，6(1):9 －10．

［3］王书涛，车仁生，王玉田，等．光纤甲烷气体传感器的研究［J］．仪器仪表学报，2006，27(10):1276 －1278．

［4］杨秋霞．连续波腔衰荡光谱技术特性及在气体浓度测量中应用研究［D］．秦皇岛:燕山大学，2012．

［5］MALARA P，MADDALONI P，GAGLIARDI G，et al．Combining a difference-frequency source with an off-axis high-finesse cavity for trace-gas monitoring around 3 μm［J］．Optics Express，2006(14):1304 －1313．

［6］BAER D S，PAYL J B，GUPTA J B，et al．Sensitive absorption measurements in the near-infrared region using off-axis integratedcavity-output spectroscopy［J］．Applied Physics B-Lasers and Optics，2002(5):261 －265．

［7］王会波．光纤环路循环衰荡法气体浓度测量的研究［D］．秦皇岛:燕山大学，2010．

［8］张可可．光谱吸收式光纤气体检测理论及技术研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工程大学，2012．