利用双激光光源监测甲烷浓度的光吸收法光纤传感器(信阳师范学院物理系，河南信阳464000)提要:基于Lamber-Beer定律，利用波长为1.33削的脉冲InP/lnGaAsP半导体激光器作为测量光源，用低损耗的光纤进行光信号的传输并以指酸锂热释电探测器作光电转换器件，设计出了一种新颍的远距离监测甲烷浓度的光纤传感系统。以此光纤传感系统为探头，设计出了一种可实时监测甲烷浓度的仪器，并能实现3km的远距离遥测。介绍了该光纤传感系统及由该光纤传感系统构成的监测仪器的基本结构与工作原理，讨论了其中的技术难点及其相应的解决方法，并给出了监测仪器相应的技术指标。关键词:应用光学;浓度测量;红外光谱吸收;甲烷;实时测量;光纤传感系统中图分类号:TH744.42,TN215文献标识码:A文章编号：0253-2743(2004)04-0064-03OpticalfibersensorsystemformonitoringmethaneconcentrationbylightabsorptionmethodusingdualopticalsourcesWANGLin(DepartmentrfPhysics,XinyangTeachers'CollegefXinyang,Henan464000,China)Abstract：BasedontheLamber-Beerlaw,anovelapplicablefiberopticsensorsystemformonitoringmetfianeconcentrationforlongdistanceusinglaserdi*odeInP/lnGaAsPasalightsourceisproposed.inwhichlow-lossopticfiberisappliedaslightsignaltransmitandLiTaOjpyrodectricdetectorisusedaslightreceivingunit*Akindofnovelinstrumentmeasuringmethaneconcentrationispresentedusingtliisfiberopticsensorsystem•Theprinciple*thestructureofthefiberopticsensorsystemandthemainspecificationsofthemonitoringinstrumentarebrieflyintroduced•Thekeytechnologiesandcorrespondingmethodsarediscussed.Keywords：Appliedoptics；concentrationmeasurement；infraredspectrumabsorption；methane；real_timemeasurement;fiberopticsensorsystem•当强的吸收峰如)。这正好与InP/lnGaAsP半导体激光器辐射激光的波长相一致。因此，当一定强度的该种激光束通过含有甲烷的混合气体时，入射光强度Io与出射光强度I之间遵守如下的Lamber-Beer定律⑹I=IQexp(-acl)(1)式中，。为甲烷的吸收系数；c为甲烷的浓度；Z是透射光路的长度。光纤传感系统的原理结构简图如图1所示。若光源1、2交替发光，则2.1仅当光源1发光时由图1,可以导出一【1(2)=(1-BIT】'i(3)式中,I"JH分别为探测器2及探测器1接收到的光源1发出的激光能量出为窄带干涉滤光片1、宝石透镜、以及宝石透镜到探测器1的光纤传输线路等引起的损耗;国为窄带干涉滤光片2、宝石透镜、以及宝石透镜到探测器2的光纤传输线路等引起的损耗。显然，只要光路确定,则不管光路是否对称，则ft、国均为确定值。％、小分别为当只有L入射时,分束镜1、4的反射系数;阳为当只有I,入射时，分束镜2的透射系数;L为光源1的发光强度;匕为光源1穿过气路后的出射光强度。由(1)式，匕为Fi=Ixexp(-acl)(4)式代入(3),有Li=(】一5)昆凡』exp(-acl)2.2仅当光源2甲烷是矿井瓦斯以及许多气体和液体燃料的主要成分,也是一种易燃易爆气体。因此在诸多工业环境、尤其是在易燃易爆(如矿井等)的恶劣环境中，为保证财产不受损失及人员的生命安全，必须对其浓度进行实时、准确的监测。近年来，已有多种红外光学式甲烷浓度分析系统投入使用"⑵，但由于这些浓度分析系统都采用了红外面光源作监测光源、同时又大多都采用了微音电容器作光探测器件，因此都普遍存在着反应时间长、灵敏度低、精度差等问题，不能进行远距离的光信号传输，难以在一些要求较高的特殊场合下使用;作者也曾研究过采用空间双光束结构的甲烷浓度分析仪⑶并用担酸锂热释电探测器代替微音电容器作光探测器件，虽克服了上述诸多问题,但依然难以实现远距离的光信号的传输与测量。本文所述的这一光纤传感系统,是在文〔3〕的基础上，利用两只脉冲InP/lnGaAsP半导体激光器作为测量光源，采用两只祖酸锂热释电探测器作光电转换器件，并使用低损耗的光纤进行光信号传输而实现的远距离精确测量甲烷浓度的仪器。既解决了采用时间双光束结构或空间双光束结构的探测器由于温度、光学污染和器件老化等引起的信号漂移及探测器的响...