光纖傳感技術在烴類檢測中的實驗研究

摘 要:本研究在調研了大量光纖傳感技術文獻的基礎上，對用于烴類組分進行直接檢測的氣態烴光纖傳感器進行理論研究，完成了技術方案路線的選擇和初步設計，探索性進行光纖傳感在流體檢測方面的實驗，為后續該技術開發打下良好的基礎。

關鍵詞:光纖傳感 光譜分析 烴類勘查 烴類檢測

中圖分類號:TE254.1文獻標識碼:A文章編號:1674-198X(2011)12(b)-0007-02

本研究基于光纖傳感技術和氣體光譜吸收檢測技術，初步研究設計了氣態烴光纖傳感器，提出了裝置設計的總思路，建立了相應的實現模塊。海洋化探烴類檢測的野外工作需要有相應的航次配合，重復采集樣品幾率很小，對現場技術也就提出了更高要求[1]。

1 基于光纖傳感技術的氣體吸收檢測技術

光纖傳感器是一種把被測量的狀態轉變為可測的光信號的裝置。其原理為:由光發送器發出的光經源光纖引導至敏感元件。光的某一性質受到被測量的調制，已調光經接收光纖耦合到光接收器，使光信號變為電信號，最后經信號處理得到所期待的被測量。本文中使用的為傳光型光纖傳感器[2～3]。

非對稱雙原子和多原子分子氣體(如等)在紅外波段均有特征吸收峰，當激發光源覆蓋一個或多個氣體吸收線，光通過氣體時將發生衰減:部分光被氣體吸收，一部分光被氣體散射，其衰減符合比爾－朗伯定律[4～5]:

其中為傳感長度;為摩爾吸收系數(與溶液濃度無關的一個常數);、為入射光強和出射光強。此時如果和己知，那么通過檢測和就可以測得氣體的濃度[6～7]。

基于以上理論，本研究對氣態烴光纖傳感器進行了技術路線的選擇和初步設計。

2 氣態烴光纖傳感器的初步設計

本研究設計的氣態烴光纖傳感器與其配套裝置，可實現海洋烴類快速探測與現場數據處理一體化，可實現對不同尺度、不同精度數據的綜合解釋和烴類異常的現場圈定。

2.1 技術的總體思路

(1)采用氣烴類光纖傳感器對海水中進入氣室的氣體進行分析，測出樣品中各種烴的含量，并將測量的結果傳輸到終端;

(2)終端儀器對測出的數據進行分析，圈定異常，現場得到初步的評價結果。

2.2 儀器的基本結構

氣態烴光纖傳感器由光譜分析檢測腔(簡稱氣室)，光纖耦合器，光纖光柵濾波器，光電轉換器和終端計算機等構成。激光光源定時發出探測信號，經過光纖傳到氣室，氣室中的烴類氣體由于其吸收譜和激光縱模對應損耗大而被抑制[8];光信號經過光電轉換器進入計算機進行光譜解析與記錄，探測烴類含量。實現模塊如圖1所示。

由于終端數據分析儀器較為精密，且測量結果受環境影響大，我們將前端的測量氣室和終端數據分析儀器分離，中間用光纖進行連接。如圖2所示。

2.3 優點及創新性評價

目前，海洋油氣勘探主要的方法是將海上采集的樣品送實驗室進行分析，期間烴類等揮發物質易發生逸散。這些干擾因素帶來得誤差很難定量預測或估算，因而降低了室內測試數據結果的準確性、精度，相比而言，本裝置可方便的進行海上現場勘探工作，不需將樣品返回陸地，就大大的減小了由于運輸中的干擾帶來的誤差，采用新技術提高了精確度。可實現對不同層次，不同尺度、不同精度數據的綜合解釋和烴類異常的現場圈定，預測遠景區并篩選靶區。

3 儀器調制實驗研究

3.1 實驗概況

主要進行了以下工作:(1)完成制作一個系統激光光源;(2)模塊實現并進行試驗調制:成功裝配了一套簡單的光纖傳感氣體檢測系統，完成了初步系統調試，并進行烴類氣體的吸收檢測試驗。(3)對實驗中出現的情況進行分析解釋并對系統進行優化改進。

3.2 實驗內容

具體實驗內容如下(按時間進行):

(1)激光光源的制作

其外形結構如圖3中右側白色“盒子”所示，在試驗時我們采用的激光光源是單模(多模)的1310nm光纖收發器(型號為HTB-1100)[9]，如圖3中左下部分的集成電路(去掉外殼的內部結構)。(如圖3圖4)

(2)烴類氣體吸收檢測試驗

本次實驗中，我們組建了一套簡單的烴類氣體吸收檢測系統，整套系統由激光光源(單模<多模>的1310nm光纖收發器)、加工過的帶接頭光纖、光譜儀(PO加藤5330)、電源和樣品注入器等組成。實際儀器裝配如圖4所示。

實驗時用加工過的帶接頭光纖將1310nm光纖收發器和光譜儀連接起來;初始化系統:即等待光譜儀工作穩定并手工調整光纖耦合度使光譜儀顯示圖像清晰，提高信噪比;裝配好系統后，用注入器將樣品注入加工過的光纖(在光纖FC接口處加工有樣品注入口)，等系統穩定后即可從光譜儀的屏幕上看到分析結果，同時可儲存本次結果。

(3)對烴類的感應

完成了調試光纖耦合度的調制工作后，用樣品注入器將甲烷氣體注入光纖接頭的注入口，在光譜儀終端顯示圖像如圖5(a)所示，對比未通入甲烷氣體時的終端顯示圖像，圖5(b)，我們可以發現以下不同:(1)譜線的峰值由-45.3降低到-48.1;(2)在甲烷的特征譜線1330nm處吸收譜線有明顯的波動;產生這些結果的原因分析可見下面內容。(如圖5)

(4)實驗結果成因分析

1)實驗開始時，由于光纖內存在一定量的空氣，這些空氣吸收了部分譜線，因此峰值為負值;峰值的降低是因為充入的氣體對總的激光譜線都有一定的吸收，使得輸出的能量減小，終端顯示曲線峰值變小。

2)在1330nm處曲線有些波動，因為甲烷氣體的吸收特征譜線為1330nm，也就是說甲烷在1330nm處的吸收強度最大，因此在1330nm處曲線有下降的波動。

3)圖中所示吸收的效果并不是很明顯，分析原因如下:a、整個儀器的密閉性不強，造成甲烷注入后迅速向外擴散，使得濃度變小;b、激光與甲烷氣體的接觸次數太少——只有一次，吸收不夠充分;

4)由上面幾組圖像，將其時間、曲線和坐標進行對比發現，存在著測量譜線的漂移(波峰由1313nm變為1315nm)，分析原因為光譜儀因使用時間長，溫度升高，測量的精度發生變化，所以在儀器使用前需要對其進行初始化，輸出穩定后再進行實驗。

4 結論

通過本研究了解到光纖傳感技術具有傳光損耗小、抗電磁干擾能力強、靈敏度和線性度好、能在惡劣環境下進行非接觸式、非破壞性以及遠距離測量等特點，能很好地符合海上化探技術必須具備現場快速勘查的實時性、高精度、高靈敏度要求。在此基礎上，研究并初步設計了氣態烴光纖傳感器，并組建和一個簡單的光纖傳感氣體檢測系統，并進行調制實驗。本研究將能實現對海水的烴類含量現場實時分析，不需取樣，提高了實效性。

本研究完成了氣態烴光纖傳感器技術方案路線選擇和初步設計，是為后續的工作奠定基礎。此外，對后續工作提出以下建議:

(1)激光光源上，本研究使用的光源只有一個波段(1310nm)，只能對甲烷氣體檢測有較好的反應，建議使用可調制的激光光源，可對應各烴類的特征譜線，進行全面的檢測;

(2)分析實驗，建議使用專業氣室，并進出氣口采用特殊的分子薄膜(分子篩)進行保護;使用環形腔，增加氣體和激光的接觸次數，以提高吸收量。

(3)本實驗中使用的光譜為紅外光譜，分析精度不能達到目標要求，建議后續工作中使用拉曼光譜(需麥克爾遜干涉調制)，以提高精度。

參考文獻

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[2]靳偉，阮雙琛，等著.光纖傳感技術新進展[M].北京:科學技術出版社，2005，116-137.

[3]李川，張以謨，趙永貴，李立京編著.光纖光柵:原理、技術與傳感應用[M].北京:科學技術出版社，2005.

[4]王玉田，郭廷榮，王莉田，侯培國.吸收式光纖甲烷氣體傳感器的研究[J].傳感技術學報，2001.

[5]王玉田，李曉昕，劉占偉，郭媛，王書濤，車仁生.甲烷氣體多點光纖傳感系統的研究[J].光電工程，2004，31(6).

[6]王書濤，車仁生，王玉田，田慶國.基于光聲光譜法的光纖氣體傳感器研究[J].中國激光.2004， 31(8).

[7] 李艷萍，張麗紅，倫翠芬，侯桂鳳，王玉田.基于光反射原理的油罐液位測量系統的研究[J].光通信技術，2004.

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[9]王玉田，郭增軍，王莉田，王亮.新型甲烷光纖傳感器的研究[J].光學技術，2001，27(4).