基于分布反饋式半導體激光器的光纖甲烷傳感器

黑龍江科技大學理學院物理系，黑龍江哈爾濱 150027

一、前言

工程測量過程中，及時準確地對易燃、易爆、有毒等氣體進行預報和自動控制已成為當前煤炭、石油、化工、電力等部門亟待解決的重要問題之一。同時隨著人們生活水平的提高，人類對生態環境凈化的要求也越來越高，迫切要求監測監控易燃、易有毒、有害氣體，減少環境污染，確保身心健康。

甲烷（CH4）是礦井、工業領域和城市煤氣中發生的爆炸事件的主要禍源。當空氣中甲烷的含量達到25%～30%時，人會感到頭疼、頭暈、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速，若不及時遠離，可致窒息死亡。因此對周圍環境的甲烷氣體進行早期安全監測是十分必要。

目前國內外介紹的監測甲烷氣體的方法有多種，但普遍存在缺陷，如：穩定性不好，使用壽命短，精度不夠，對溫度、壓力有一定的響應。而今天簡介的光纖甲烷氣體傳感器是當今先進的設備，克服了以往檢測方法的很多缺點，具有很好的優越性。

二、分布反饋式半導體激光器的基本原理

分布反饋式半導體激光器(Distributed Feedback Laser Diode，DFBLD)基本原理是把光柵放在LD的有源區內代替反射面進行光反射，光柵只能反射一定波長的光波，所以在多個頻譜中，和光柵的固有波長相同的光波被選擇出來，產生光震蕩，從而輸出激光。DFBLD具有光譜線寬窄、輸出功率大以及單縱模運行等特點，被認為是光纖氣體傳感系統的理想光源。另外，這種激光器具有低工作電流、波長及功率穩定性好、動態單模特性及良好的線性等特點，可以滿足所設計的傳感系統的實際要求[1]。

三、光纖甲烷傳感器光譜吸收原理

1、光譜吸收法則

基于DFBLD的光纖甲烷傳感器光學原理是基于光譜吸收法則，既通過檢測光被氣體吸收后的透射光強或反射光強的變化，對氣體的濃度進行檢測。由氣體分子的選擇吸收理論可知，每一種氣體分子都有自己的獨特吸收譜特征，光源的發射光譜只有與氣體吸收譜重疊時才能產生吸收，從而導致吸收后的光強發生變化。

Beer在1852年提出了吸光度和介質濃度的關系，即Lambert-Beer定律(朗伯比爾定律），當波長為λ的單色光在充有待測氣體的氣室中傳播距離為L時，其被待測氣體吸收后的光強I(λ)為[2-3]：

式中，I0(λ)—波長為λ的單色光不被待測氣體吸收時的光強；

C—待測氣體的濃度；

α(λ) —一定波長下光通過介質的吸收系數。

由式（1）變換為：

根據指數函數的泰勒展開公式：

則（3）式中的指數部分替換可變為：

在近紅外波段，氣體的吸收系數很小，滿足α(λ)CL<<1，略去高次非線性項后，可以得到近似公式

則（3）式可寫成為：

整理可得：

由上式得知，當α(λ)、L一定時，就能通過檢測光被氣體吸收前后光強所發生的變化量，得出待測氣體濃度。

2、甲烷氣體吸收譜線的選擇

甲烷分子是具有正四面體的結構，一個碳原子位于四面體的中心，四個氫原子位于正四面體的四個頂點。由于甲烷分子具有高度的對稱性，所以各振動能級高度簡并，只有四個頻率不同的基本振動，分別為：v1=2913.0cm-1，v2=1533.3cm-1，v3=3018.9cm-1，v4=1305.9cm-1。每一個固有振動對應一個光譜吸收區，它們的波長分別為3.43μm，6.53μm，3.31μm和7.66μm。氣體的標準吸收光譜位于2.5μm～25μm的中紅外區，因此需要紅外光源，雖然鉛鹽激光器可以產生這一波段上的光，但是光源和探測器都需要低溫制冷，價格還昂貴，用起來也不方便。另外，紅外光纖技術暫不成熟，在這一波段上石英光纖的損耗非常大，這些問題都嚴重的制約了甲烷的紅外波段光譜在氣體傳感中的應用[4]。

甲烷結合帶(v2+2v3)和泛頻帶(2v3)分別位于1.3μm和1.6μm附近，這些吸收峰都在近紅外區，比紅外波段的基本吸收峰要弱，而目前長距離大容量通信用石英光纖在1.1～1.7μm的近紅外區有低損耗，低色散特性，并且光源技術相對比較成熟，所以在該波段進行吸收測量是合理選擇。在選擇甲烷的吸收波長時，不但要考慮甲烷在此處有強吸收，而且為了避免干擾，必須考慮其它氣體(如水蒸氣、CO2等)在此處無明顯吸收。吸收光譜圖以波長(或頻率)為橫坐標，以被吸收的能量(吸光度或透光率)為縱坐標來繪制。根據Hitran數據庫仿真出來的甲烷的吸收光譜，甲烷氣體在1.6μm波段的吸收強度遠大于1.3μm波段的吸收強度，因此本系統選用1.6μm波段對甲烷氣體進行吸收測量[5]。

分子的轉動和振動能夠同時發生，這種轉動和振動的結合是分子紅外光譜精細結構的物質基礎，其精細結構具體表現是不同的支，即P支、R支和Q支。對于具體分子而言，可以出現三個支帶中的一支、二支或是三支[4-5]。圖1為甲烷氣體分子的精細譜線中的三個支帶，可以看出，甲烷氣體在1.66μm的Q支帶吸收線最強。

三、本系統擬采用的檢測方案

本文所設計的傳感系統結構如圖2所示。系統光源為一個中心波長在1665nm處的DFBLD，傳感頭部分是一個長為100mm的反射式氣室，通過光纖環形器提取反射光，探測器是PIN光電二極管，并對測得的信號進行處理。

由于本課題研究的光纖甲烷氣體傳感檢測系統除受到噪聲因素的影響之外，當進行氣體吸收測量實驗時，還要將光源的輸出波長精準穩定在氣體吸收峰中心波長上，本系統擬使用光源頻率調制和諧波檢測技術相結合的方法來實現，其基本原理如圖3所示[6]。

甲烷氣體在輸入電信號頻率為f, 2f時的檢測信號，分別對應中心波長為λ1,λ2，測量時實現波長為由λ1,λ2的兩束光分時先后與氣體分子相互作用。由圖可知，頻率為2f的波形峰值與中心波長有偏差。

本系統利用DFBLD激光器的輸出波長可調諧性來實現氣體的差分檢測[7]。已知甲烷在溫度為296K時，振動帶Q支轉動躍遷吸收線在1650.96nm附近有較強的瓦斯吸收，吸收線半寬為0.023nm。利用半導體激光器的模式跳變特性，可以產生兩個中心波長分別為λ1(1650.823nm)和λ2(1650.955nm)的光信號，Δλ=0.132nm，λ1對應氣體分子的吸收峰，λ2對應不吸收或者吸收弱的地方。修正后得出氣體濃度公式：

在波長λ1,λ2確定的情況下，若氣體的吸收系數αλ1,αλ2可以測量，則氣體濃度就可以從（8）式中求出，即差分吸收技術。可以看出差分技術不僅從理論上完全消除了光路的干擾因素，而目還消除了光源輸出光功率不穩定的影響[8]。

圖4 是光纖甲烷氣體差分吸收檢測系統，λ1,λ2兩束光先后匯聚到光電二極管PIN上，經鎖相放大器使之轉換為電信號U1、U2，經過計算機儲存，再對兩路采集信號進行數據差分處理及分析，最后來標定甲烷濃度C。

四、結論

此傳感器具有本質安全、抗干擾能力強、靈敏度高、響應速度快、簡單實用、成本低、使用壽命長、容易標定和維護、抗電磁干擾，電絕緣性能好，靈敏度高，耐高溫，耐腐蝕，易于實現遠距離傳輸等，特別適用于條件惡劣和危險的環境中。只要稍加改進或換上其它附件，即可測量其它多種氣體的濃度，在氣體濃度測量領域，具有很好的應用前景。[9]