地铁隧道瓦斯光纤传感检测系统

摘 要：瓦斯气体检测技术主要有半导体瓦斯气体传感器，电化学瓦斯气体传感器，载体催化燃烧气体传感器，光干涉型瓦斯气体传感器等。光纤红外光谱吸收式的原理是利用瓦斯气体对在石英光纤透射窗口内传播的近红外光波产生吸收，通过研究发现该光强衰减程度与被测瓦斯气体的浓度成比例关系而且该物理特性的吸收会使得光强衰减，所以光纤红外光谱吸收式测量瓦斯气体的浓度的原理主要是通过测量瓦斯气体吸收的光强衰减程度得到。

关键词：光纤红外光谱；光谱吸收；探头

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.083

0 引言

瓦斯（CH4）是我国煤矿采矿工作中的一大杀手，并且我国煤矿产业占比重最大的当属采矿工作，近几年我国的煤矿产业日益蓬勃发展，随之而来的是瓦斯积聚所引起瓦斯事故逐年增加，这也正是当前我们国家煤矿产业所面临的日益严峻的问题。为了减少此类事故的发生，需要对瓦斯气体浓度进行实时的监控，主要检测技术包括半导体瓦斯气体传感器，电化学瓦斯气体传感器，载体催化燃烧气体传感器，光干涉型瓦斯气体传感器等。应用最为广泛的是光纤红外光谱传感器。

1 光纤红外光谱吸收瓦斯原理

光学探头是一个简单开放光路，并且由两个光纤准直透镜组成。如何检测瓦斯气体呢？它的原理是通过瓦斯气体进入探头后触发探头另一端，则它的光强会减弱，减弱后的光进入光电转换器的方式是光纤引入，总之光纤红外光谱吸收瓦斯主要是通过检测电信号的强弱变化，然后进一步计算出待测瓦斯气体浓度。瓦斯气体吸收谱线波长与激光光源发出波长相近，激光光源发出光波，进而与光纤进行耦合，然后与探点处的气体通过光纤连接；目前最常用的检测方法为谐波检测法。

光纤红外光谱吸收瓦斯主要是利用瓦斯气体的物理特性对在石英光纤透射窗口内传播的近红外光波产生吸收，被测瓦斯气体浓度是正比于光强衰减的，通过上述物理特性，可以通过对瓦斯气体吸收产生的光强衰减成都进而得到瓦斯气体的浓度。而该物理特性的吸收会使得光强衰减并且该光强衰减程度与被测瓦斯气体的浓度成比例关系，由此测量由于瓦斯气体吸收产生的光强衰减程度就可得到瓦斯气体的浓度

1.1 气体光谱吸收的基本原理

物质都是出于运动的状态，所有物体的分子都是通过化学键和原子紧密连接起来的，原子外层价电子会发生跃迁，处于分子内部的原子也会发生振动，也包括分子自己的振动，它们共同构成了原子与化学键的运动。通过科学研究发现，转动能级的跃迁存在于每个分子发生振动能级跃迁时，是一个普遍的现象。这是因为这种运动形式可能吸收外界能量而引起能级跃迁。由实验结果可得，由光谱线产生的线强会受到温度的影响，这是因为温度也会影响在不同能量级之间的分布情况。原子从低能级向高能级跃迁一般总是和气体分子的吸收有关系的。

光谱线的线强作为吸收光谱谱线的基本的性质，它的受激辐射，受激吸收，自发辐射三者之间存在着强度的净效果是由光谱线的线强体现的。这个过程发生在跃迁过程中。

决定光谱线光强的关键性因素取决于在上下能级的分子数和能级间跃迁概率。

要想分辨出被待测气体的种类，可以通过测量由被测气体的吸收所引起的光强衰减，然后通过计算可以得到被测气体的浓度，要想分辨出气体的种类还需要通过对一些波长的光谱的吸收峰位置进行一定的选择，这个吸收峰实际上就是被测气体在石英光纤透射窗口内的吸收峰。通过实验研究发现，初始光强和二次谐波信号场以及气体的浓度存在着一定的关系。这样要想得到气体浓度只需要测量二次谐波信号。通过这种测量方式可以彻底消除光强波动以及其他因素所引起的一些不利因素，这是因为初始光强和二次谐波的商是跟初始光强无关的。

根据比尔·朗伯特（Beor一Lalnbert）定律I= I0exp（-α（v）CL）式中α（v）为气体吸收系数，吸收现象是与吸收光强的能力成正比，根据上式可以得到α（v）的值与吸收光强的能力成正比，为了便于检测系统对后来信号的检测，应该让吸收现象更为明显。所以在这个过程中最关键的是选择一个甲烷吸收最强的波长。

由实验数据分析可得，甲烷在吸收谱线强度数量级在10到25之间时，的数量级为10到21，要想彻底防止空气中其余气体对造成影响，选择的甲烷的数量级必须达到其他空气中气体的数量级的5倍。通过研究实验最终可以测得选择的甲烷气体的特定吸收峰波长为1665纳米左右时最佳。

1.2 传感器光学探头基于检测系统设计

探头设计也是气体测量中的一个很重要的问题。要想作为传感器的探头，对气室的要求也有很多，要想兼顾各方面几乎是不可能的，所以我们对于气室的选择也是值得考虑的。需要权衡各个方面的利弊。吸收光程也就是气室的长度是作为一个很重要的因素在对气室设计的过程中，通过增大吸收作用的长度，可以增强吸收的现象，进而使检测系统的设计更为精密。当光源发出一束光，它是如何变为平行光的呢？它就是通过光纤传到输入光学准直器，再通过气室，最后到达输出光学准直器，通过它的接收，再传输到输出光纤中最后到达光电转换部分。探头在实际中经常会受到各种环境因素的干扰，究其原因当然是因为它里面含有光学器件。所以在实际中会受到干扰进而影响其稳定性能。然而光的强度的衰减则基于当光通过气室时由于甲烷气体的存在而发生光谱吸收现象。

2 总结和发展前景

光纤检测技术是我国检测技术的又一里程碑式的突破， 几年的光景已经深入各个研究领域，尤其是分布式光纤传感监测技术，在很多方面都可以突破各个技术难关。在当下，对分布式光纤的研究还要继续，还有很多不足需要弥补。但是分布式光纤传感监测技术的优势也是有目共睹的，因此它已成为国际上一些主要发达国家如日本、瑞士、加拿大、美国、法国、英国等国的研发热点和重大研究课题，研发工作的重点主要集中分布式光纤传感技术的性能改善和应用技术的研发。

参考文献：

[1]孙强，秦威，孙睿幁.基于 Sagnac 干涉的新型光缆径路探测方法研究[J].铁道学报，2014，36（04）：60-64.

[2]李勤，王洪波，李立京等.基于Michelson干涉仪的光纤分布式扰动传感器[J].红外与激光工程，2015，44（01）：205-209.

作者简介：许惠慧（1995-），女，河南焦作人，本科，研究方向：光电检测。