專利名稱：一種光纖傳輸的紅外吸收式甲烷氣體的檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種甲烷氣體的檢測方法，特別涉及一種光纖傳輸的紅外吸收式甲烷氣體的檢測方法。
背景技術：
甲烷(CH4)是易燃易爆氣體，是煤礦瓦斯、沼氣、天然氣的主要成分，是一種重要的化工原料，在大氣中濃度5.3％～15％時，具有爆炸性。瓦斯事故是煤礦安全生產的主要威脅之一，一直是困擾采礦業的重大難題，給國家和人民帶來巨大的損失。同時，甲烷還是造成“溫室效應”的主要成分之一，城市瓦斯管道的年久腐蝕也是城市安全的一大隱患。因此，開發一種安全可靠、高靈敏度、本質安全的甲烷檢測系統具有切實而重大社會意義和經濟價值。
甲烷氣體的檢測方法根據檢測裝置的不同有多種，如接觸燃燒式、半導體式、生物式、電化學氧化式、光學干涉式等。光纖傳輸的紅外吸收式甲烷氣體檢測方法有許多其他傳感檢測方法無法比擬的優點，如響應速度快、動態范圍大、防電磁干擾、防燃防爆、不易中毒，而且可用光纖傳輸實現遙測等，特別適合強電磁場環境以及諸如礦井等的惡劣環境下的應用。
文獻“光纖光學式甲烷氣體傳感器的設計與實驗研究”(張景超，燕山大學，2006年4月)提出了一種紅外吸收式甲烷氣體檢測方法，其采用DFB LD光源(分布反饋式半導體激光器)、Ring-down腔吸收氣室、小波去噪和諧波檢測技術，雖然其可以獲得很高的檢測精度，但是該方法要采用半導體激光器，由于激光器本身就很貴，因此檢測成本很高，實用化程度很低。此外，該方法還存在吸收氣室結構相對復雜，數據處理繁瑣等缺陷。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在于改進上述基于半導體激光器的近紅外光纖檢測方法的成本高、實用化程度低的不足，提供一種基于微分光器的光纖傳輸紅外吸收式甲烷氣體的檢測方法，其對甲烷氣體的檢測具有簡易、成本低廉、使用方便的特點。
為達到以上目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的一種光纖傳輸的紅外吸收式甲烷氣體的檢測方法，其特征在于，包括采用一個寬帶紅外光源、一個帶有閃耀光柵的微分光器、一個吸收氣室、一個光電探測器和一個信號處理電路組成光學測試系統；所述寬帶紅外光源通過微分光器的閃耀光柵分光集中獲得甲烷吸收峰下的窄帶光源，將所獲得的窄帶光源通過耦合進入入射光纖傳輸至吸收氣室，在吸收氣室的入射端采用球面透鏡將窄帶光源準直成平行光，經吸收氣室的出射端的自聚焦透鏡將攜帶甲烷氣體濃度信號的出射光聚焦后直接耦合進入出射光纖，并傳輸至光電探測器，出射光通過光電探測器將光信號轉換為電信號再輸入至信號處理電路。
上述方案中，所述微分光器的閃耀光柵采用硅微光片制成，其反射表面做成鋸齒形狀；所述的自聚焦透鏡帶有尾纖；所述的氣室制成不可拆卸的結構；所述的寬帶紅外光源是采用中心波長在1331nm附近的紅外LED。
本發明的光纖傳輸的吸收式甲烷氣體檢測方法，與現有技術相比，具有以下優點1.不再需要采用價格昂貴的激光器分光技術，而采用中心波長在1331nm附近的紅外LED光源，結合采用MEMS(微機電系統)技術制作的硅微閃耀光柵的微分光器。在大批量制作的情況下，一致性好，而且單個平均成本很低，如半導體激光器2200元一個，而采用閃耀光柵分光批量生產成本可控制在300元以內，且LED的使用壽命要遠大于半導體激光器的壽命。
2.采用硅微閃耀光柵可從寬帶光源中捕獲得需要波長的窄帶光源，改變閃耀光柵的閃耀角θ，可以獲得不同的中心波長，進而可實現一套系統檢測多種氣體濃度，而不僅僅只能檢測甲烷氣體。
3.吸收氣室入射端采用球面透鏡準直，出射端采用帶尾纖的自聚焦透鏡聚焦，并做成一體化結構，反射和干涉噪聲小，結構簡單。
4.充分利用目前光纖通信系統中成熟的技術和產品，通過光纖低損耗傳輸，實現在線遙測，而且敏感測頭部分本質安全。


圖1是本發明基于微分光器的紅外吸收式光纖甲烷氣體檢測系統的光路結構示意圖。其中，3為入射光纖；5為出射光纖。
圖2是圖1中微分光器的分光原理示意圖。其中，10為光闌；11為聚焦透鏡；12為準直透鏡；13為閃耀光柵。
圖3是圖1中的吸收氣室的結構圖。
圖4是圖2中閃耀光柵的分光原理圖。
具體實施例方式如圖1至圖3所示，本發明采用一個寬帶紅外光源1(可包括溫度控制和電流控制環節)、一個帶有閃耀光柵13的微分光器2、入射和出射光纖3和5、一個吸收氣室4、一個光電探測器6和一個信號處理電路7組成測試系統。經溫度和電流控制的寬帶紅外光源1輸出穩定的光源，經由微分光器2獲得特定波長的窄帶光耦合進入入射光纖3，該入射光纖3另一端與吸收氣室4入射端球面透鏡8相連，吸收氣室4出射端的自聚焦透鏡9尾纖與出射光纖5連接，出射光纖5另一端連接光電探測器6，光電探測器6連接信號處理電路7。其中，寬帶紅外光源1可采用中心波長在1331nm附近的紅外發光二極管LED，入射和出射光纖3、5可采用單模石英光纖，光電探測器6可采用光電二極管。
微分光器2包括一個光闌10，該光闌10兩側分別設置有聚焦透鏡11和準直透鏡12，閃耀光柵13為采用MEMS技術制作的硅微閃耀光柵，其反射表面為鋸齒形狀，并相對設置在準直透鏡12平行光出射一側。本發明的原理是利用閃耀光柵13分光集中獲得窄帶光源來實現1331nm波長下的紅外吸收法測量甲烷氣體的。經溫度和電流調制的輸出穩定的寬帶光源1發出的紅外光經微分光器2的聚焦透鏡11聚焦后通過光闌10被準直透鏡12準直為平行光束后由閃耀光柵13的鋸齒反射面分光，獲得中心波長在1331nm的窄帶光源，所獲得的窄帶光源中心波長與甲烷氣體近紅外吸收峰重合，經入射光纖3傳輸至充滿甲烷氣體的吸收氣室4，經氣室4入射端球面透鏡8準直后平行穿過氣室4，攜帶甲烷氣體濃度信息的出射光在氣室4出射端經自聚焦透鏡9聚焦后直接耦合進入出射光纖5，再經光電探測器6轉化為電信號，經信號處理電路7獲得檢測結果，即通過檢測透過氣室4的紅外光衰減情況可以獲得氣室4內的甲烷氣體濃度。
本發明的透射式吸收氣室4采用球面透鏡8在入射端對從入射光纖3入射的光進行準直，在出射端采用帶尾纖的自聚焦透鏡9對輸出氣室的光進行聚焦，直接耦合進入出射光纖5，整個氣室4可做成一體結構，這種氣室結構簡單，對準和耦合方便，而且耦合效率較高。(包括準直和耦合聚焦部分，耦合效率≥74.6％)紅外吸收基于Beer-Lambert定律，如式(1)，經變換如式(2)所示。
I＝I0exp(-αLc) (1)c＝ln(I0/I)/αL (2)式中I是光電探測器6接收到的光能量；I0是經閃耀光柵13獲得的窄帶光源能量；α是甲烷氣體在該波長下吸收系數；L是吸收光程；c是被測甲烷氣體濃度。由式(2)可見，在入射光能量I0、吸收系數α、吸收光程L一定的情況下，測定出射光能量I(也即光電探測器6接收到的能量)便可以獲得被測甲烷氣體濃度。
例如，甲烷在波長為1331nm的近紅外光，其吸收系數α為一常數，α＝5.4m-1，氣室長度(吸收光程)L＝0.2m，I0＝242.7μW，I＝241.3μW，通過上式計算可得氣體濃度c＝0.5％。
閃耀光柵13的分光原理如圖4所示。圖中，N為底面的法線方向；d為光柵常數；n為閃耀面的法線方向；為入射光線與閃耀面法線方向的夾角；′為出射光與底面法線方向夾角；θ為閃耀角；i為入射光；i′為出射光。
與透射光柵(沒有色散的零級主極大占去了入射能量中的很大一部分，剩下的能量又要分配到正負各級主極大上，造成用來分析的有色散的那級譜線只分配到很小的能量)不同，閃耀光柵13可以把光強集中到m級閃耀波長λ附近的m級光譜中，只要λ滿足d sin(2θ)＝mλ (3)所以，可以通過閃耀角θ和光柵常數d的設計，使光柵適用于某一特定波段的某級光譜上。以下給出一個具體計算實施例加工出閃耀角θ為4°，光柵常數d為50μm的閃耀光柵13，控制入射光i的夾角為87°，經過閃耀光柵13分光，在主級次上就可獲得測試甲烷濃度所需的1331nm的紅外光。
權利要求
1.一種光纖傳輸的紅外吸收式甲烷氣體的檢測方法，其特征在于，包括采用一個寬帶紅外光源、一個帶有閃耀光柵的微分光器、一個吸收氣室、一個光電探測器和一個信號處理電路組成光學測試系統；所述寬帶紅外光源通過微分光器的閃耀光柵分光集中獲得甲烷吸收峰下的窄帶光源，將所獲得的窄帶光源通過耦合進入入射光纖傳輸至吸收氣室，在吸收氣室的入射端采用球面透鏡將窄帶光源準直成平行光，經吸收氣室的出射端的自聚焦透鏡將攜帶甲烷氣體濃度信號的出射光聚焦后直接耦合進入出射光纖，并傳輸至光電探測器，出射光通過光電探測器將光信號轉換為電信號再輸入至信號處理電路。
2.根據權利要求1所述的光纖傳輸的紅外吸收式甲烷氣體的檢測方法，其特征在于，所述微分光器的閃耀光柵采用硅微光片制成，其反射表面做成鋸齒形狀。
3.根據權利要求2所述的光纖傳輸的紅外吸收式甲烷氣體的檢測方法，其特征在于，所述的自聚焦透鏡帶有尾纖。
4.根據權利要求3所述的光纖傳輸的紅外吸收式甲烷氣體的檢測方法，其特征在于，所述的球面透鏡、自聚焦透鏡與吸收氣室制成一體化的結構。
5.根據權利要求1～4任一所述的光纖傳輸的紅外吸收式甲烷氣體的檢測方法，其特征在于，所述的寬帶紅外光源是采用中心波長在1331nm附近的紅外LED。
全文摘要
本發明針對基于半導體激光器的近紅外光纖檢測方法的高成本、實用化程度低的不足，公開了一種基于微分光器的光纖傳輸紅外吸收式甲烷氣體的檢測方法，其特征是，采用寬帶紅外光源、閃耀光柵、傳輸光纖、吸收氣室、光電探測器、信號處理電路組成測試系統。由紅外LED光源發出的光，通過閃耀光柵分光獲得中心波長為1331nm的窄帶光源，通過入射光纖傳輸，經過透鏡準直入射到充滿甲烷氣體的吸收氣室，出射光通過自聚焦透鏡耦合至出射光纖，再傳輸到光電探測器及信號處理電路，基于Beer－Lambert氣體紅外吸收定律，通過檢測透過氣室的紅外光衰減情況可以獲得氣室內的甲烷氣體濃度。
文檔編號G01N21/35GK101042340SQ20071001779
公開日2007年9月26日 申請日期2007年4月30日 優先權日2007年4月30日
發明者王海容, 張英, 蔣莊德, 周志濤, 張群明, 孫國良, 高鮮妮 申請人:西安交通大學