基于偏振干涉技術的SO2氣體檢測方法

李 勇

（合肥工業大學，合肥 230000）

六氟化硫（SF6）是一種工業領域中常用的合成氣體，其主要應用于高壓、超高壓的電力設備中[1]。SO2也是工業社會中占有較大比重的污染排放氣體，隨著我國越來越重視生態環保，排放標準日趨嚴格。針對SO2排放情況大多采用定期檢測的方式，這種方式無法滿足現有生態環保制度下的新需求。因此，實現SO2的精準在線檢測勢在必行[2]。

目前針對SO2氣體濃度的檢測技術方法大致可以分為3類，分別為紅外光譜法、氣相色譜法和電化學傳感器法[3]。其中，電化學傳感器法檢測的特點是靈敏度較高，檢測的響應速度快，目前應用較多；而紅外光譜法的響應靈敏度較低，不適合實際的SO2濃度檢測；采用氣相色譜法的SO2濃度檢測一般檢測靈敏度較高、檢測穩定性好，但是缺點也是十分明顯的，需要檢測的時間長，且分辨率較低，不適合大規模的帶電現場檢測[4]。光譜學理論是研究電磁輻射與物質相互作用的科學，光譜學與物質能量狀態、物質分子的躍遷及躍遷的強度密切相關。通過研究物質結構與分子運動規律，可以解釋光譜學規律；相反，通過光譜學的規律也可以揭示物質的結構與分子運動規律。電磁輻射與物質相互作用的過程不同，能量的傳遞方式也不同。根據原子或分子的特征吸收光譜來研究物質的結構和測定物質的化學成分的方法，稱為吸收光譜分析[5]。

采用吸收光譜技術對氣體成分進行檢測和分析具有明顯的優勢，目前也廣泛被用于氣體濃度的靈敏、在線、連續、快速和非接觸的監測中。因此，本論文基于吸收光譜技術，為提高SO2的檢測精度，進一步融合光纖衰蕩光譜技術，通過設計基于偏振光干涉、衰減振蕩的氣體傳感器，實現SO2濃度的準確檢測。

1 基于光纖Sagnac干涉衰蕩腔的氣體傳感系統

1.1 基于光纖的Sagnac干涉計

基于HC-PCF光纖的Sagnac干涉計如圖1所示。a，b，c，d為耦合器的4個端口，其中a為光信號的輸入端口，b為光信號的輸出端口。光信號從端口a輸入后，經過耦合器會被分為2束逆向傳播的光波，分別從端口c和端口d輸出。如圖1，從端口c輸出的光傳輸方向為逆時針方向，從端口d輸出的光傳輸方向為順時針方向；同時，端口c的光束經保偏HC-PCF光纖傳輸到端口d，端口d的光束經保偏HC-PCF光纖傳輸到端口c。2束逆向光經過耦合器進行耦合后從端口b輸出。端口c和端口d的2束光會產生相位差，但由于圖1中的Sagnac環形結構具有互易性，并不會產生2束逆向光的相位差，因此2束逆向光的相位差僅僅產生于環形腔的保偏HC-PCF光纖結構中。

圖1 Sagnac干涉計

如上所述，端口c和端口d的2束光為逆向光，當這2束傳播路徑相反的光在耦合器中進行耦合時會發生干涉現象，Sagnac干涉計的干涉譜如圖2所示。2束光干涉后的光強Isagnac可由下式表示

圖2 Sagnac干涉計的干涉譜

式中：B為偏振光纖的雙折射系數；L為偏振光纖的長度；λ為輸入光的波長。

基于上述的Sagnac干涉計，當干涉譜發生移動時，耦合器端口b的輸出光的強度也會產生變化。

1.2 傳感系統體系結構

基于光纖Sagnac干涉衰蕩腔的氣體傳感系統結構如圖3所示。其中，中間部分為Sagnac環氣室，其主要由偏振空芯光子晶體光纖（HC-PCF）構成，HCPCF上面的多個微型孔可以保證待測氣體進入纖芯；HC-PCF的兩端與2個耦合器輸出端進行連接，構成了Sagnac干涉計；Sagnac干涉計位于光纖衰蕩腔內，當SO2在激光器泵浦光下產生溫度變化時，偏振HCPCF中的偏振系數也將發生改變，進一步引起Sagnac干涉計的干涉譜平移，以及環形腔衰蕩時間的變化[6]，因此，通過測量環形腔衰蕩時間的變化即可實現SO2的檢測。

圖3 基于光纖Sagnac干涉衰蕩腔的氣體傳感體系結構

1.3 光譜光熱技術

當纖芯內注入待檢測氣體，激光器的泵浦光通過光纖時，泵浦光在偏振HC-PCF的作用下會產生一系列的變化，如圖4所示。激光器泵浦光的波長與待檢測氣體的吸收峰具有重合性，當泵浦光通過待檢測氣體時，待檢測氣體對激光器的泵浦光具有很強的吸收特征。由于待檢測氣體吸收了一部分的光子能量，相應的引起待測氣體密度、溫度及折射率等物理特征發生變化，進而光纖的徑向和橫向均受到應力的作用。由于光纖橫向和徑向的應力作用，偏振HC-PCF的快慢軸的折射率差就會發生變化。

圖4 光熱光譜效應

設激光器泵浦光在光纖中傳輸z m距離后的光強度分布為

式中：Iq（z）為激光器泵浦光在傳輸z m后光纖中心點光的強度；Ppump（z）為激光器泵浦光的功率值；ω對應光纖的模場半徑；r為到光中心點的距離。

待檢測氣體對泵浦光具有吸收性，導致光纖內待檢測氣體的折射率發生變化。折射率的變化可以表示為

由光纖內待測氣體的折射率發生變化，引起的光相位的變化表示為

式中：γ為定值；Ppump為光纖中的平均泵浦光功率；A為損耗系數。

1.4 氣體測量的靈敏度

設Ii為系統的入射光脈沖，I0為通過氣勢衰減后的光脈沖，則Ii與I0的關系可以表示為

式中：LS為整個氣室的長度；α為特定波長吸收系數。通過上式可知，I0只與待測氣體的濃度C有關。定義氣體測量的靈敏度為輸出光脈沖的變化量與待測氣體濃度變化量的比值。假設待測氣體的濃度C的變化量為ΔC，相應的輸出光脈沖I0的變化量為ΔI0，可得

實際中，α和LS均小于1個單位，且當ΔC較小時，αΔCLS≤1，則上式可以進一步簡化為

因此，可得氣體測量的靈敏度γg為

由上式可知，γg值越大，則表示氣體測量的靈敏度越高。系統靈敏度可以看成入射光脈沖Ii、吸收系數α和氣室長度LS的函數。實際中，為實現更高精度的氣體濃度檢測，需要提高檢測的靈敏度，由上式可知，適當提高入射光脈沖Ii的強度、增加氣室LS的長度可以提高檢測的靈敏度。

1.5 氣體測量的分辨率

氣體測量的分辨率即系統可以檢測的最小濃度的變化量[7]。測定分辨率的理論方法為，在氣室內待測氣體量為0、輸出光脈沖強度為I0下，逐步增加氣室內待測氣體的量，當檢測到輸出光脈沖強度Ii發生變化時，此時對應的氣體濃度即系統氣體測量的最小分辨率。最小的氣體濃度變化量可以表示為

由于C趨于0，則上式可進一步簡化為

由上式可知，ΔCmin越小，則表示系統的分辨率越高。分辨率可以看為輸出光脈沖變化量ΔI0、吸收系數α和氣室長度LS的函數。同理，為提高分辨率，可以提高入射光脈沖強度Ii和提高氣室LS的長度。需要注意的是，增加氣室LS的長度，則系統的體積將增大，這會給系統的封裝帶來新的挑戰。實際系統設計過程中，當進行參數選擇時，一般為減小ΔI0/Ii的值，根據靈敏度和分辨率的實際需求及系統的體積要求，確定合理的LS值。

2 SO2濃度計算方法

通過圖1所示的系統可以對SO2氣體進行檢測和分析。基于光譜學理論可以計算SO2濃度，具體過程如下。

設光波長為λ，相應的入射光強度和出射光強度分別為Ii（λ）、I0（λ），基于比爾-朗伯特（Beer-Lambert）定律[8]，可得

式中：σ為待測SO2氣體在波長λ處的吸收截面；N為SO2氣體分子數。

在檢測得到的吸收光譜上，隨機截取相近的2個點，分別對應波長λ1和λ2，基于上式，可得

式中：Ii（λ1）=Ii（λ2），α1=α2，且N可以由下式計算

由此可知，當檢測到SO2的吸收光譜后，在吸收光譜上選擇臨近2點，即可通過上述理論計算待測SO2氣體的濃度。

3 SO2檢測實驗

本實驗采用1 578.12 nm的可調諧半導體激光器，其電流-波長的可調諧范圍約為1個nm。利用基于Sagnac干涉衰蕩腔的氣體檢測系統對3種不同濃度的SO2氣體依次進行檢測。通過檢測吸收光譜，并通過第二節中的理論，依次計算出SO2氣體的濃度為10、18.8和31.2 ppm。圖5為SO2氣體濃度分別為10、18.8和31.2 ppm時的光譜衰蕩曲線，由圖可知，衰蕩時間隨著SO2濃度的增加而減小。圖6給出了SO2濃度與衰蕩時間關系，圖6中的擬合曲線證明兩者之間的關系為線性關系，擬合曲線的斜率為-2.1 μs/ppm。此傳感檢測系統可分辨的衰蕩時間為1%，此系統可檢測的最小SO2的濃度為0.1 ppm。

圖5 不同濃度下的衰蕩曲線

圖6 不同SO2氣體濃度下的衰蕩時間

4 結論

本文首先分析了吸收光譜技術檢測SO2氣體的獨特優勢；然后，結合光纖衰蕩光譜技術，利用光熱原理與Sagnac干涉原理，設計出了基于偏振光干涉技術的SO2氣體傳感檢測系統，并分析了系統的檢測靈敏度與分辨率；最后，給出了SO2氣體濃度的計算方法，實現了SO2氣體的高靈敏度、高分辨率檢測，該系統可檢測的最小SO2的濃度為0.1 ppm。