基于分布反馈式半导体激光器的光纤甲烷传感器

黑龙江科技大学理学院物理系，黑龙江哈尔滨 150027

一、前言

工程测量过程中，及时准确地对易燃、易爆、有毒等气体进行预报和自动控制已成为当前煤炭、石油、化工、电力等部门亟待解决的重要问题之一。同时随着人们生活水平的提高，人类对生态环境净化的要求也越来越高，迫切要求监测监控易燃、易有毒、有害气体，减少环境污染，确保身心健康。

甲烷（CH4）是矿井、工业领域和城市煤气中发生的爆炸事件的主要祸源。当空气中甲烷的含量达到25%～30%时，人会感到头疼、头晕、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速，若不及时远离，可致窒息死亡。因此对周围环境的甲烷气体进行早期安全监测是十分必要。

目前国内外介绍的监测甲烷气体的方法有多种，但普遍存在缺陷，如：稳定性不好，使用寿命短，精度不够，对温度、压力有一定的响应。而今天简介的光纤甲烷气体传感器是当今先进的设备，克服了以往检测方法的很多缺点，具有很好的优越性。

二、分布反馈式半导体激光器的基本原理

分布反馈式半导体激光器(Distributed Feedback Laser Diode，DFBLD)基本原理是把光栅放在LD的有源区内代替反射面进行光反射，光栅只能反射一定波长的光波，所以在多个频谱中，和光栅的固有波长相同的光波被选择出来，产生光震荡，从而输出激光。DFBLD具有光谱线宽窄、输出功率大以及单纵模运行等特点，被认为是光纤气体传感系统的理想光源。另外，这种激光器具有低工作电流、波长及功率稳定性好、动态单模特性及良好的线性等特点，可以满足所设计的传感系统的实际要求[1]。

三、光纤甲烷传感器光谱吸收原理

1、光谱吸收法则

基于DFBLD的光纤甲烷传感器光学原理是基于光谱吸收法则，既通过检测光被气体吸收后的透射光强或反射光强的变化，对气体的浓度进行检测。由气体分子的选择吸收理论可知，每一种气体分子都有自己的独特吸收谱特征，光源的发射光谱只有与气体吸收谱重叠时才能产生吸收，从而导致吸收后的光强发生变化。

Beer在1852年提出了吸光度和介质浓度的关系，即Lambert-Beer定律(朗伯比尔定律），当波长为λ的单色光在充有待测气体的气室中传播距离为L时，其被待测气体吸收后的光强I(λ)为[2-3]：

式中，I0(λ)—波长为λ的单色光不被待测气体吸收时的光强；

C—待测气体的浓度；

α(λ) —一定波长下光通过介质的吸收系数。

由式（1）变换为：

根据指数函数的泰勒展开公式：

则（3）式中的指数部分替换可变为：

在近红外波段，气体的吸收系数很小，满足α(λ)CL<<1，略去高次非线性项后，可以得到近似公式

则（3）式可写成为：

整理可得：

由上式得知，当α(λ)、L一定时，就能通过检测光被气体吸收前后光强所发生的变化量，得出待测气体浓度。

2、甲烷气体吸收谱线的选择

甲烷分子是具有正四面体的结构，一个碳原子位于四面体的中心，四个氢原子位于正四面体的四个顶点。由于甲烷分子具有高度的对称性，所以各振动能级高度简并，只有四个频率不同的基本振动，分别为：v1=2913.0cm-1，v2=1533.3cm-1，v3=3018.9cm-1，v4=1305.9cm-1。每一个固有振动对应一个光谱吸收区，它们的波长分别为3.43μm，6.53μm，3.31μm和7.66μm。气体的标准吸收光谱位于2.5μm～25μm的中红外区，因此需要红外光源，虽然铅盐激光器可以产生这一波段上的光，但是光源和探测器都需要低温制冷，价格还昂贵，用起来也不方便。另外，红外光纤技术暂不成熟，在这一波段上石英光纤的损耗非常大，这些问题都严重的制约了甲烷的红外波段光谱在气体传感中的应用[4]。

甲烷结合带(v2+2v3)和泛频带(2v3)分别位于1.3μm和1.6μm附近，这些吸收峰都在近红外区，比红外波段的基本吸收峰要弱，而目前长距离大容量通信用石英光纤在1.1～1.7μm的近红外区有低损耗，低色散特性，并且光源技术相对比较成熟，所以在该波段进行吸收测量是合理选择。在选择甲烷的吸收波长时，不但要考虑甲烷在此处有强吸收，而且为了避免干扰，必须考虑其它气体(如水蒸气、CO2等)在此处无明显吸收。吸收光谱图以波长(或频率)为横坐标，以被吸收的能量(吸光度或透光率)为纵坐标来绘制。根据Hitran数据库仿真出来的甲烷的吸收光谱，甲烷气体在1.6μm波段的吸收强度远大于1.3μm波段的吸收强度，因此本系统选用1.6μm波段对甲烷气体进行吸收测量[5]。

分子的转动和振动能够同时发生，这种转动和振动的结合是分子红外光谱精细结构的物质基础，其精细结构具体表现是不同的支，即P支、R支和Q支。对于具体分子而言，可以出现三个支带中的一支、二支或是三支[4-5]。图1为甲烷气体分子的精细谱线中的三个支带，可以看出，甲烷气体在1.66μm的Q支带吸收线最强。

三、本系统拟采用的检测方案

本文所设计的传感系统结构如图2所示。系统光源为一个中心波长在1665nm处的DFBLD，传感头部分是一个长为100mm的反射式气室，通过光纤环形器提取反射光，探测器是PIN光电二极管，并对测得的信号进行处理。

由于本课题研究的光纤甲烷气体传感检测系统除受到噪声因素的影响之外，当进行气体吸收测量实验时，还要将光源的输出波长精准稳定在气体吸收峰中心波长上，本系统拟使用光源频率调制和谐波检测技术相结合的方法来实现，其基本原理如图3所示[6]。

甲烷气体在输入电信号频率为f, 2f时的检测信号，分别对应中心波长为λ1,λ2，测量时实现波长为由λ1,λ2的两束光分时先后与气体分子相互作用。由图可知，频率为2f的波形峰值与中心波长有偏差。

本系统利用DFBLD激光器的输出波长可调谐性来实现气体的差分检测[7]。已知甲烷在温度为296K时，振动带Q支转动跃迁吸收线在1650.96nm附近有较强的瓦斯吸收，吸收线半宽为0.023nm。利用半导体激光器的模式跳变特性，可以产生两个中心波长分别为λ1(1650.823nm)和λ2(1650.955nm)的光信号，Δλ=0.132nm，λ1对应气体分子的吸收峰，λ2对应不吸收或者吸收弱的地方。修正后得出气体浓度公式：

在波长λ1,λ2确定的情况下，若气体的吸收系数αλ1,αλ2可以测量，则气体浓度就可以从（8）式中求出，即差分吸收技术。可以看出差分技术不仅从理论上完全消除了光路的干扰因素，而目还消除了光源输出光功率不稳定的影响[8]。

图4 是光纤甲烷气体差分吸收检测系统，λ1,λ2两束光先后汇聚到光电二极管PIN上，经锁相放大器使之转换为电信号U1、U2，经过计算机储存，再对两路采集信号进行数据差分处理及分析，最后来标定甲烷浓度C。

四、结论

此传感器具有本质安全、抗干扰能力强、灵敏度高、响应速度快、简单实用、成本低、使用寿命长、容易标定和维护、抗电磁干扰，电绝缘性能好，灵敏度高，耐高温，耐腐蚀，易于实现远距离传输等，特别适用于条件恶劣和危险的环境中。只要稍加改进或换上其它附件，即可测量其它多种气体的浓度，在气体浓度测量领域，具有很好的应用前景。[9]