基于光譜吸收CH4傳感器靈敏度的分析

摘 要： 基于氣體紅外吸收的基本原理，首先對部分常見氣體的吸收譜進行了解，然后對甲烷（CH4）氣體傳感器原理進行分析。對于光纖氣體傳感器而言，氣體檢測靈敏度是一個重要的考慮因素。通過對光譜吸收理論的分析和數據模擬，得到在不考慮光路干擾因素，理想狀態情況下，氣室吸收長度L和氣體濃度C對傳感器靈敏度的影響。當L一定時，C增大，則會提高傳感靈敏度。當C一定時，增加L，尤其當C較高時，則傳感靈敏度較高。

關鍵詞： CH4氣體濃度； 氣室長度； 傳感靈敏度； 透光率

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）18?0142?02

0 引 言

近年來，光纖傳感技術的研究非常重要[1]，具有靈敏度高、響應快、動態范圍大、不受電磁干擾、耐腐蝕、體積小、可以實現信號的長距離傳輸和現場實時遙測、傳感頭可以放入惡劣環境中等優勢[2]。光譜吸收型氣體傳感器是最重要，也是最簡單的一類光纖氣體傳感器。它利用氣體的吸收光譜因氣體分子化學結構、濃度和能量分布差異產生的不同進行檢測，從而具有了選擇性、鑒別性和氣體含量的唯一確定性等特點，因而光纖氣體傳感器的研究倍受關注[3]。甲烷（CH4）是礦井、工業領域和城市煤氣中爆炸的主要成分，因此對光纖甲烷氣敏傳感器的研究更加引起廣泛關注。光譜吸收型氣體傳感是基于分子振動/轉動吸收特征譜或泛頻/復合吸收譜線與發光光源發射譜間的光譜一致性[4]。本文主要介紹的是在近紅外波段光纖甲烷氣體傳感器測量靈敏度的影響因素。

1 原理分析

光譜吸收型光纖氣體傳感器基本原理是氣體分子的選擇性吸收理論，即氣體分子只能吸收能量恰好是它的某兩個能級能量之差的光子[5]。根據甲烷氣體的紅外吸收光譜原理來檢測甲烷體積分數的變化[6]。不同的氣體對不同波長紅外輻射的吸收程度不同。當光源被氣體吸收而變弱時，將會出現紅外吸收光譜。由于不同的氣體分子化學結構不同，因而對應不同的吸收光譜，而每種氣體在光譜中，對特定波長的光有較強的吸收[7]，表1給出了部分氣體在近紅外波段的吸收譜。

當光源發出的光經過光纖耦合器耦合作用進入入射光纖，光波通過測試氣室與待測氣體相互作用，通過出射光纖的耦合作用將出射光耦合到光電探測器上進行光電轉換。當光源通過待測氣體CH4時就會發生衰減，不同氣體對應不同的吸收譜線，如果入射光譜范圍包含被測氣體的吸收譜線，則光源發出的光通過被測氣體時光強發生衰減[8]。光纖傳感器原理圖如圖1所示。

3 結 論

通過本文的數據分析可以得出對于紅外光譜吸收光纖甲烷氣體傳感器氣體靈敏度的檢測，當不考慮雜散光、光路損耗、外界溫度變化等光路吸收之外的影響因素時，當氣室吸收長度一定時，增加氣體濃度，則會提高傳感靈敏度。當氣體濃度一定時，提高氣室吸收路徑長度時，尤其當氣體濃度較高時，則傳感靈敏度較高。但是也不能一味地增加吸收路徑，這樣也增加了氣室制作工藝的難度，在實際生產過程中，要綜合考慮氣室長度和氣體濃度等因素來提高傳感靈敏度。

參考文獻

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