光程可调吸收气室气体传感器研究

程　跃，罗晓乐，刘　磊，张　鹏，吴礼章，叶杨高（.中国电子科技集团公司第八研究所，安徽合肥3005；.中国科学院安徽光学精密机械研究所光学工程中心，安徽合肥30000）

光程可调吸收气室气体传感器研究

程跃1，罗晓乐2，刘磊1，张鹏1，吴礼章1，叶杨高1
（1.中国电子科技集团公司第八研究所，安徽合肥230051；2.中国科学院安徽光学精密机械研究所光学工程中心，安徽合肥230000）

光程可调吸收气室可满足光纤气体传感器不同探测灵敏度和量程的需求。介绍了吸收气室的基本结构，并利用TracePro软件对气室进行了光学仿真设计和分析，确定了多次反射池的光学参数。对气室的结构、防腐工艺、密封工艺及光程可调节进行了研究。通过调试和实验测量，结果表明：气室光程可在0.8～30 m范围调节，完全可应用于低浓度气体（对应长光程气室）和高浓度气体（对应短光程气室）的检测。

光纤气体传感器；吸收气室；可调光程；气室光学仿真；TracePro

0　引言

相比传统的电化学气体传感器［1，2］，光纤气体传感器作为本质安全的传感器，其具有精度高、选择性好、可靠性高、不中毒、受环境干扰因素较小、寿命长等显著优点，应用范围更加广泛，尤其在煤矿采空区、化工厂、油田和可燃气体储存罐等环境。由于污染环境的不同，如大气环境中气体浓度较低和工业排放污染气体浓度较高等特点，对光纤气体浓度传感器提出了更高的要求，要求传感器灵敏度高，可应用于低浓度气体探测，同时，又要求传感器的量程可调节，适用于不同环境气体的探测，这就要求吸收气室实现长光程吸收且吸收光程可根据不同量程的需求进行调节。实现长光程吸收通常采用光学多次反射池的方法，常用的多次反射池主要有Herriott型和White型。Herriott型多次反射池由两块反射镜组成，其光学系统结构简单，但对光源的准直性要求较高，难以实现大发散角光束的多次反射［3］。基于White型结构的光学气体吸收气室具有结构简单，体积小，适用于大发散角光束光源及光程可调节等优点，其光程长度可达数米甚至上百米，是目前比较常用的气体传感器［4］。目前，吸收气室的研究大多关注了增加吸收光程方面［5～6］，对气室的光程可调节研究不多，不能满足不同探测灵敏度和量程的要求。

本文基于White型结构设计和研制了一种气体吸收气室，对气室的小型化、长光程、光程可调节及防腐和密封工艺进行了研究，气室光程可在0.8～30 m范围可调，适用于气体浓度在10-9量级的大气环境检测和10-6量级的工业排放气体监测等领域。

1　吸收气室设计

1.1气室多次反射池的基本结构

如图1所示，吸收气室多次反射池由3块曲率半径相同的凹面反射镜A、A＇和B构成，其中，反射镜A和A＇并排放置在气室的一侧，第三块反射镜B放在另一侧。它们近共焦放置，A和A＇的曲率中心F和F'落在反射镜B上，B的曲率中心落在反射镜A和A＇的中间。光线从Source点的小孔入射，经过A的反射，在反射镜B上形成光斑，由于B的曲率中心落在A与A＇的中间位置，因此，光斑经B反射后，落在反射镜A＇上，光线经过A＇反射后从气室出射孔出射进入探测器。光束入射光窗中心距B中心线距离为a，A和A＇的曲率中心F和F'在B上距其中心线距离为d，则光束在反射镜B上形成的光斑数N为

因此，光束在气室中单次反射次数n为

所以，气室吸收光程s为

式中N为反射镜B上光斑的个数，L为气室的基长。

从式（1）可知，a是固定不变的，只要改变d的值，即改变A和A＇的曲率中心F和F'在B上的相对距离就可改变B上形成的光斑数N，再通过式（3）可知，气室基长L固定不变，只要改变光斑数N，就可改变气室吸收光程s，从而实现吸收光程可调节。

图1　气室多次反射池示意图Fig 1　Schematic diagram of multiple-reflect pool of gas cell

1.2气室多次反射池的光学仿真设计

采用TracePro软件对多次反射池进行光学仿真设计，TracePro是一种普遍用于光线追迹、辐射度分析及光度分析的光学仿真软件。首先，在软件中建立多次反射池光学系统的几何模型：三块反射镜B（100mm×60mm×15mm），A（40 mm×10 mm），A＇（40 mm×10 mm）的曲率半径均为400 mm，B，A（A＇）近共焦放置，对应多次反射池的基长为0.4 m，A，A＇中心间距为67 mm。三块反射镜凹反射面的反射率均设定为97%，光吸收率为3%，光透过率为0。光源孔径设定为3 mm，光源形式选择光通量方式，光通量设定为3 W，追迹总光线为100条。如图2所示是TracePro软件对气室多次反射池的光学仿真结果，通过调节A（A＇）曲率中心在B上的位置，在多次反射池内形成了光束的多次反射。图3是对反射镜B上形成的光斑分布进行光能分析的结果，在镜面上形成了2行12列的矩形光斑分布，相当于光线在腔内形成24次的来回反射，其对应的吸收光程为s=2×（23+1）×0.4 m=19.2 m。另外，通过对光斑尺寸大小的分析，发现随反射次数的增加，光斑尺寸并没有变大，表明该反射池对光路系统具有较好的聚焦能力，对增加发散角较大光束的吸收光程是一个很好的选择，如增加LED光源系统和氙灯光源系统的吸收光程等。

图2　气室多次反射池光学仿真Fig 2　Optical simulation of multiple-reflect pool of gas cell

图3　反射镜B上形成的光斑分布Fig 3　Light spot distribution of mirror B

1.3吸收气室整体结构设计

吸收气室如图4所示，包括：气室底座、气室端板、气室腔体和多次反射镜。多次反射镜包括一块方形凹面镜B和两块圆形凹面镜A（A＇），B，A（A＇）焦距相同且近共焦放置，位于吸收气室腔体内部用于形成光束多次反射。吸收气室端板用于固定和密封吸收气室腔体，端板上有进气口、出气口、光窗和反射镜调节螺杆。通过反射镜调节螺杆可对反射镜进行两维方向调节，进而达到吸收光程可调节目的。气室底座和端板均由铝材料制成，且表面进行发黑处理，耐腐蚀性好。吸收气室腔体由石英材料制成，其耐腐性好且对气体的吸附性较小。多次反射镜由石英材料制成，其反射面镀铝膜，在铝膜外另镀了一层SiO2保护膜，用于防止酸性或碱性等腐蚀性气体对铝膜的损坏。气室腔体与两端板的密封方式采用O型圈进行密封，O型圈采用耐腐蚀材料，如全氟醚橡胶，其耐腐蚀介质包括强酸、强碱、醚类等多种化学介质。反射镜A（A＇）的两维调节螺杆采用内嵌方式，调节完吸收光程后，采用带有全氟醚橡胶O型圈的密封压板进行密封。

图4　吸收气室整体结构图Fig 4　Overall structure diagram of absorption gas cell

2　吸收气室调试与结果

2.1气室光程调节原理

通过调节反射镜A，A＇曲率中心F，F'在B上的相对位置，可以改变光束在3个反射镜之间来回反射的次数，从而达到光程可调节的目的。图5是气室反射镜A（A＇）调节机构支撑点的示意图，该机构采用3点支撑，其中1个为固定点，2个为调节螺杆的支撑点。通过调节螺杆1的推拉可调节支撑点1在z方向的运动，进而实现A（A＇）曲率中心在y方向的运动；通过调节螺杆2的推拉可调节支撑点2 在z方向的运动，进而实现A（A＇）曲率中心在x方向的运动。因此，通过调节螺杆1和2对A（A＇）进行调节，便可实现A（A＇）的曲率中心F，F'在B二维方向（x方向和y方向）的调节，进而改变F和F'在B上的相对距离，实现气室吸收光程可调节。

图5　反射镜A（A'）调节机构支撑点示意图Fig 5　Schematic diagram of supporting point of mirror A（A'）adjusting mechanism

2.2气室调试结果与实验结果

气室吸收光程调节用的光源采用532 nm固体激光器（GL—10—F型532 nm空间光路激光器，上海熙隆光电科技有限公司），首先调节激光光源使入射光斑从气室入射窗中心进入到气室内，并使光斑打到反射镜A的中心，通过反射镜A的调节机构调节A的曲率中心在B上的位置，使光斑经过反射镜B反射到的A＇中心，再调节反射镜A＇的曲率中心在B上的位置，可以使光斑在气室内形成来回多次反射，最后光斑从出射窗出射。图6是吸收光程为19.2 m的调节结果，该调节结果与气室光学仿真设计的结果（图2）相一致。通过调节反射镜A（A＇）的调节机构，可使气室吸收光程在0.8～30 m范围调节。

图6　气室吸收光程为19.2 m的调试结果Fig 6　Debugging result of absorption cell with 19.2 m optical path

采用标准浓度气体配气系统和差分光学吸收光谱技术对吸收气室气体传感器进行系统性能实验，实验过程中，同时采用商业化的NO2气体分析仪（Thermo 42i，TEI，USA）进行比对测量，测量结果如表1所示，4次测量的相对误差分别为-1.5%，4.5%，2.5%，2.3%，均在±5%范围之内。通过比对实验，确认了吸收气室气体传感器具有误差允许范围内的一致性，验证了传感器测量的准确性和可靠性。

表1　吸收气室气体传感器实验验证数据Tab 1　Experimental verification data of absorption gas cell gas sensor

3　结论

吸收气室作为吸收式光纤气体浓度传感器的传感元件，是整个传感器的关键器件，决定了传感器的探测灵敏度、量程及稳定性等指标。此外，由于和待测气体直接接触，因此，对气室的防腐和密封也提出了严格要求。本文对吸收气室的基本结构、光学仿真设计、结构设计及防腐和密封工艺进行了研究。对气室的光程调节机构和调节机理进行了详细介绍。通过对气室的调试和实验测量，结果表明：气室光程可在0.8～30 m范围调节，完全可应用于低浓度气体（对应长光程气室）和高浓度气体（对应短光程气室）的检测。

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向为光纤气体传感技术。

Study of absorption cell gas sensor with adjustable optical path

CHENG Yue1，LUO Xiao-le2，LIU Lei1，ZHANG Peng1，WU Li-zhang1，YE Yang-gao1
（1.No.8 Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation，Hefei，230051，China；2.Optical Engineering Department，Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230000，China）

A gas absorption cell with an adjustable optical path can meet the requirements of an optical fiber gas sensor with the different detection sensitivity and range.Basic structure of the gas absorption cell is introduced. Optical parameters of the gas absorption cell are identified through the optical simulation and analysis of the gas absorption cell using TracePro.Structure，anticorrosion process，sealing process and adjustable optical path of the gas absorption cell are studied.Experimental results demonstrate that light range of cell optical path can be modulated at 0.8～30 m and the cell can be fully applied in detection of the low concentration gas and high concentration gas.

optical fiber gas sensor；gas absorption cell；adjustable optical path；gas cell optical simulation；TracePro

TN253

A

1000—9787（2016）06—0056—03

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0056—03

2015—09—02

程跃（1984-），男，安徽宿州人，博士，工程师，主要研究方