地鐵隧道瓦斯光纖傳感檢測系統

摘 要：瓦斯氣體檢測技術主要有半導體瓦斯氣體傳感器，電化學瓦斯氣體傳感器，載體催化燃燒氣體傳感器，光干涉型瓦斯氣體傳感器等。光纖紅外光譜吸收式的原理是利用瓦斯氣體對在石英光纖透射窗口內傳播的近紅外光波產生吸收，通過研究發現該光強衰減程度與被測瓦斯氣體的濃度成比例關系而且該物理特性的吸收會使得光強衰減，所以光纖紅外光譜吸收式測量瓦斯氣體的濃度的原理主要是通過測量瓦斯氣體吸收的光強衰減程度得到。

關鍵詞：光纖紅外光譜；光譜吸收；探頭

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.083

0 引言

瓦斯（CH4）是我國煤礦采礦工作中的一大殺手，并且我國煤礦產業占比重最大的當屬采礦工作，近幾年我國的煤礦產業日益蓬勃發展，隨之而來的是瓦斯積聚所引起瓦斯事故逐年增加，這也正是當前我們國家煤礦產業所面臨的日益嚴峻的問題。為了減少此類事故的發生，需要對瓦斯氣體濃度進行實時的監控，主要檢測技術包括半導體瓦斯氣體傳感器，電化學瓦斯氣體傳感器，載體催化燃燒氣體傳感器，光干涉型瓦斯氣體傳感器等。應用最為廣泛的是光纖紅外光譜傳感器。

1 光纖紅外光譜吸收瓦斯原理

光學探頭是一個簡單開放光路，并且由兩個光纖準直透鏡組成。如何檢測瓦斯氣體呢？它的原理是通過瓦斯氣體進入探頭后觸發探頭另一端，則它的光強會減弱，減弱后的光進入光電轉換器的方式是光纖引入，總之光纖紅外光譜吸收瓦斯主要是通過檢測電信號的強弱變化，然后進一步計算出待測瓦斯氣體濃度。瓦斯氣體吸收譜線波長與激光光源發出波長相近，激光光源發出光波，進而與光纖進行耦合，然后與探點處的氣體通過光纖連接；目前最常用的檢測方法為諧波檢測法。

光纖紅外光譜吸收瓦斯主要是利用瓦斯氣體的物理特性對在石英光纖透射窗口內傳播的近紅外光波產生吸收，被測瓦斯氣體濃度是正比于光強衰減的，通過上述物理特性，可以通過對瓦斯氣體吸收產生的光強衰減成都進而得到瓦斯氣體的濃度。而該物理特性的吸收會使得光強衰減并且該光強衰減程度與被測瓦斯氣體的濃度成比例關系，由此測量由于瓦斯氣體吸收產生的光強衰減程度就可得到瓦斯氣體的濃度

1.1 氣體光譜吸收的基本原理

物質都是出于運動的狀態，所有物體的分子都是通過化學鍵和原子緊密連接起來的，原子外層價電子會發生躍遷，處于分子內部的原子也會發生振動，也包括分子自己的振動，它們共同構成了原子與化學鍵的運動。通過科學研究發現，轉動能級的躍遷存在于每個分子發生振動能級躍遷時，是一個普遍的現象。這是因為這種運動形式可能吸收外界能量而引起能級躍遷。由實驗結果可得，由光譜線產生的線強會受到溫度的影響，這是因為溫度也會影響在不同能量級之間的分布情況。原子從低能級向高能級躍遷一般總是和氣體分子的吸收有關系的。

光譜線的線強作為吸收光譜譜線的基本的性質，它的受激輻射，受激吸收，自發輻射三者之間存在著強度的凈效果是由光譜線的線強體現的。這個過程發生在躍遷過程中。

決定光譜線光強的關鍵性因素取決于在上下能級的分子數和能級間躍遷概率。

要想分辨出被待測氣體的種類，可以通過測量由被測氣體的吸收所引起的光強衰減，然后通過計算可以得到被測氣體的濃度，要想分辨出氣體的種類還需要通過對一些波長的光譜的吸收峰位置進行一定的選擇，這個吸收峰實際上就是被測氣體在石英光纖透射窗口內的吸收峰。通過實驗研究發現，初始光強和二次諧波信號場以及氣體的濃度存在著一定的關系。這樣要想得到氣體濃度只需要測量二次諧波信號。通過這種測量方式可以徹底消除光強波動以及其他因素所引起的一些不利因素，這是因為初始光強和二次諧波的商是跟初始光強無關的。

根據比爾·朗伯特（Beor一Lalnbert）定律I= I0exp（-α（v）CL）式中α（v）為氣體吸收系數，吸收現象是與吸收光強的能力成正比，根據上式可以得到α（v）的值與吸收光強的能力成正比，為了便于檢測系統對后來信號的檢測，應該讓吸收現象更為明顯。所以在這個過程中最關鍵的是選擇一個甲烷吸收最強的波長。

由實驗數據分析可得，甲烷在吸收譜線強度數量級在10到25之間時，的數量級為10到21，要想徹底防止空氣中其余氣體對造成影響，選擇的甲烷的數量級必須達到其他空氣中氣體的數量級的5倍。通過研究實驗最終可以測得選擇的甲烷氣體的特定吸收峰波長為1665納米左右時最佳。

1.2 傳感器光學探頭基于檢測系統設計

探頭設計也是氣體測量中的一個很重要的問題。要想作為傳感器的探頭，對氣室的要求也有很多，要想兼顧各方面幾乎是不可能的，所以我們對于氣室的選擇也是值得考慮的。需要權衡各個方面的利弊。吸收光程也就是氣室的長度是作為一個很重要的因素在對氣室設計的過程中，通過增大吸收作用的長度，可以增強吸收的現象，進而使檢測系統的設計更為精密。當光源發出一束光，它是如何變為平行光的呢？它就是通過光纖傳到輸入光學準直器，再通過氣室，最后到達輸出光學準直器，通過它的接收，再傳輸到輸出光纖中最后到達光電轉換部分。探頭在實際中經常會受到各種環境因素的干擾，究其原因當然是因為它里面含有光學器件。所以在實際中會受到干擾進而影響其穩定性能。然而光的強度的衰減則基于當光通過氣室時由于甲烷氣體的存在而發生光譜吸收現象。

2 總結和發展前景

光纖檢測技術是我國檢測技術的又一里程碑式的突破， 幾年的光景已經深入各個研究領域，尤其是分布式光纖傳感監測技術，在很多方面都可以突破各個技術難關。在當下，對分布式光纖的研究還要繼續，還有很多不足需要彌補。但是分布式光纖傳感監測技術的優勢也是有目共睹的，因此它已成為國際上一些主要發達國家如日本、瑞士、加拿大、美國、法國、英國等國的研發熱點和重大研究課題，研發工作的重點主要集中分布式光纖傳感技術的性能改善和應用技術的研發。

參考文獻：

[1]孫強，秦威，孫睿幁.基于 Sagnac 干涉的新型光纜徑路探測方法研究[J].鐵道學報，2014，36（04）：60-64.

[2]李勤，王洪波，李立京等.基于Michelson干涉儀的光纖分布式擾動傳感器[J].紅外與激光工程，2015，44（01）：205-209.

作者簡介：許惠慧（1995-），女，河南焦作人，本科，研究方向：光電檢測。