量子电子学报CHINESEJOURNALOFQUANTUMELECTRONICS章编号、1007-5461(2002)04-0355-0319卷第4期2002年8月Vol.Aug监测甲烷浓度的红外光吸收法光纤传感器III（安徽大学出版社，合肥230039）摘要研制了一种用于监测甲烷气体的红外光纤传感检测系统.该系统采用双波长差分吸收测量法，低损耗的光纤作为传光回路,用1/4周期的自聚焦棒作为准直透镜，能实现3km的远距离遥测.关键词光纤传感器；光吸收；甲烷中图分类号：TN253文献标识码：A光纤传感采用低损耗的光纤作为敏感元件或传光回路，能应用于各种严环境中，如易燃、易爆、强磁场等狭小的环境中，并易于实现远距离、点和分布式传感结构n〜4〕，近二十年来得到了广泛的重视.甲烷CH4）是一种典型的易燃易爆气体，在诸多工业环境中需要对其在空气中含量进行在线监测.本文报道了利用甲烷气体在近红外的特征光谱吸收原采用双波长差分吸收测量法，研制了一种实用型的光纤气体传感器，于测定甲烷在空气中的含量。由于使用低损耗的多模光纤作为传光回路，现了3km的远距离遥测.工作原理光纤气体传感器监测污染有毒或易爆气体浓度的原理是基于气体分子OLL(2)公式（2）可以看到，只要知道光通过待测气体的程长L以及待测气体分子吸收系数a,就可通过测量I与A）的比值求得待测气体的浓度.实际上，由于其他气体对光也存在吸收和散射，因此通过气室后出射的强不但与待测气体的吸收有关，而且与其他气体的吸收和散射也有关。为消除其他气体对测定的影响，一般采用双波长差分吸收测量法，即选取靠较近的二个波长的光束通过气室，其中一个波长处于气体吸收峰，另一波则处于吸收峰外，气体基本无吸收.这样，比尔定律可写成如下形式：时1）=扁（入】）。一心）*气(3)L（入2）=姑（入2）。一知(4)收稿日期I2001-04-27;修改日期，2001-12-31光纤气体传感器测污染有毒或易爆气体浓度的原是于气体分子式中1】（咨）、A（A2）分别为波长入］、人2的光通过气室后出射的光强，扁（柿）、扁（插）为波长人1、人2的光未通过气室后出射的光强.这里假定被测气体对入i波长吸收很大，对A2波长吸收很小，幻为其他气体，由于吸收和散射等机理形成的损耗，由（3）、（4）式可得：，（人1）=（入1）以_甘广。（入1）。乙时2）一/。（扇）式中时=为通过气室前波长人1与波长扇的光强之比，可直接测定.因此待测气体的浓度C可由（5）式测量得到.CH4是矿井瓦斯的主要成分，也是许多气体和液体燃料的主要成分，是一种易燃易爆气体.CH4在1.33和1.66附近有相当强的吸收峰阵】，正好落在光纤0.8~1.7“m近红外区域的低损耗传输窗口，在本实验中选择1.33pm的吸收峰作为传感波长，而将1.55/im作为参考波长.这里参考波长的作用显然用于消除非气体光吸收所引发的光强波动对测量的影响，以提高测量精度.3实验装置及实验结果实验装置如图1所示.LED1的中心波长为1.31/im,LED2的中心波长为1.55〃m,这两只LED在脉冲电路的驱动下交替工作;光纤耦合器（Coupler）的分光比是1:1；PIN1和PIN2是InGaAs光电二极管，PIN1用于光反馈，PIN2用于信号检测；传光回路采用标准多模通信光纤.在气室的光路中运用了1/4周期自聚焦棒作为准直透镜，先将光纤（1）输出的发散光束变成平行光束，经气体吸收后，再将平行光束收集到光纤中，检测其光强大小.然后由光纤（2）至光电管PIN2检测参考光强大小.】】（*）、L（入2）、心（入1）和A）（扇在光电管中均以电压勺、血实和公示出，并送单片机处理.气室的整体光路设计简单，光插入损耗低约3.9dB.为了增加程长，提高气体浓度测量灵敏度，在气室中置入了一只全反直角棱镜，气室总长为350mm,长度适中，便于实际应用.同时所有的光学元件不采用有机胶粘连，有利于提高气室的温度稳定性，经实验发现可在-UTC〜75。。的温度范围内工作.进气口处有三层过滤装置，以有效防尘.光学器件部分也易于清洗.为了实用起见，本系统未采用与吸收峰波长相同的窄带光源作为信号光源，如半导体激光器等而用了一只LED,这样由气体浓度改变而引发的光强变化非常小，所以对光强、波长的稳定和电路的噪声均提出了更高的要求.在检测系统中两只LED均采用光反馈和恒温技术，使输出光波长和功率保持稳...