基于光譜吸收法的光纖硫化氫氣體傳感器的研究.pdf

1、隨著近幾年在生產(chǎn)生活中H2S氣體泄漏事件的頻發(fā)，有關(guān)H2S氣體的安全問(wèn)題日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，這對(duì)研制出可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)、快速、高效、高靈敏度、低檢測(cè)限的H2S氣體檢測(cè)系統(tǒng)提出了更為緊迫的要求。傳統(tǒng)的非光學(xué)式H2S氣體檢測(cè)儀雖然可以達(dá)到較低的檢測(cè)限，但是很容易受其它氣體成分的交叉靈敏，而且其響應(yīng)速度較慢，可重復(fù)利用率低，使用壽命較短，難以實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)。如要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模區(qū)域的分布式監(jiān)測(cè)，采用傳統(tǒng)的非光學(xué)式傳感器將會(huì)十分昂貴。本文研究的H2

2、S氣體傳感器是基于近紅外光譜吸收原理的光纖氣體傳感器，若結(jié)合微弱光電信號(hào)檢測(cè)技術(shù)和光纖技術(shù)，可以滿(mǎn)足生產(chǎn)生活中對(duì)H2S氣體檢測(cè)的各種需要，而且，若與可調(diào)諧激光光源相結(jié)合，還可實(shí)現(xiàn)多種氣體的分布式檢測(cè)。
　　 本文基于氣體近紅外選擇性吸收理論和Lambert-Beer定律，采用窄帶光源的差分光譜吸收檢測(cè)技術(shù)對(duì)H2S氣體進(jìn)行檢測(cè)。文中選取的H2S氣體的中心吸收譜線是在1578nm處的一條孤立的轉(zhuǎn)動(dòng)吸收線V1++V2+V3，其譜線吸收

3、強(qiáng)度約為1.3×10-22cm-1/(moleeulecm-2)-1；光源為窄帶可調(diào)諧激光光源，其3dB線寬約為0.0157nm;400mm的氣體吸收池采用4組由微型GRIN透鏡組成的100mm短程吸收池串聯(lián)構(gòu)成；由于光源功率的波動(dòng)對(duì)氣體檢測(cè)的影響最大，本文采用信號(hào)光路和參考光路相比較的差分系統(tǒng)以消除該影響。
　　 通過(guò)對(duì)常溫常壓下H2S氣體吸收譜的仿真分析可知：H2S氣體在中心頻率處的吸收系數(shù)約為1.5×10-2cm-1˙at

4、m-1，譜線的展寬機(jī)制主要是碰撞加寬，可以選擇Lorentzian或Voigt線型作為H2S氣體的吸收線型。由于用于氣體檢測(cè)的DFB激光光源成本較高，本文設(shè)計(jì)并搭建了一種窄帶可調(diào)諧光纖激光器，通過(guò)改變布拉格光柵的溫度和長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出波長(zhǎng)的調(diào)諧。實(shí)驗(yàn)測(cè)得該激光器的溫度靈敏度和電壓靈敏度分別是0.04066nm/℃和0.00126nm/V。最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了氣體吸收實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本系統(tǒng)對(duì)H2S氣體檢測(cè)的可行性，并通過(guò)數(shù)據(jù)的測(cè)量和擬合處理對(duì)系統(tǒng)進(jìn)