郭繼坤， 趙肖東， 馬鵬飛

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱150022)

0 引 言

在煤炭和石油開采的過程中，常有瓦斯氣體溢出。瓦斯氣體的主要成分是甲烷，甲烷是一種易燃易爆的氣體，在有限的空間里達(dá)到一定的比例就會(huì)引起爆炸。尤其在礦井下，能夠有效準(zhǔn)確地檢測(cè)甲烷氣體的濃度，可以減少礦難的發(fā)生。目前，煤礦常見的氣體濃度檢測(cè)方法較多，如安全燈法、熱傳導(dǎo)法、紅外光譜吸收法、光干涉法、氣敏半導(dǎo)體法以及催化燃燒法等［1－3］，諸多方法均有各自的不足之處。鑒于此，筆者研究了光纖環(huán)衰蕩腔光譜吸收方法，設(shè)計(jì)光纖甲烷傳感系統(tǒng)，解決以往傳感器靈敏度不高、測(cè)量速度慢、檢測(cè)范圍小和柔性不好等問題。

1 衰蕩腔光譜甲烷氣體吸收原理

衰蕩腔光譜［4］(cavity ring －down spectroscopy，CRDS)吸收法是一種高靈敏的光譜吸收技術(shù)，其基本原理如圖1 所示。

圖1 衰蕩腔光譜示意Fig．1 Schematic diagram of cavity ring-down spectroscopy

衰蕩腔由兩塊性能穩(wěn)定的高反射鏡組成，一束脈沖激光經(jīng)由第一片反射鏡進(jìn)入光衰蕩腔內(nèi)后，在兩塊反射鏡間來回發(fā)射，由于透射作用每次反射都有激光從另一端的腔鏡透射出去，同時(shí)腔體內(nèi)部也有損耗，使從腔體內(nèi)透射出來的光強(qiáng)逐漸減弱，在光的透出端使用高靈敏度的光電探測(cè)儀接收腔體內(nèi)部漏出的光信號(hào)。如果激光輸出的脈沖周期遠(yuǎn)大于光子在腔內(nèi)的振蕩時(shí)間，并且光電探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間足夠快，就會(huì)得到一個(gè)脈沖序列。脈沖序列的強(qiáng)度峰值變化隨時(shí)間增長(zhǎng)呈指數(shù)衰減［5－6］。

設(shè)兩個(gè)高反射率腔鏡的反射率分別為R1和R2，腔內(nèi)甲烷氣體的系數(shù)為α，衰蕩腔的腔長(zhǎng)為L(zhǎng)，開始時(shí)入射光的強(qiáng)度為I0，經(jīng)過n 次反射的出射光的強(qiáng)度為In，光強(qiáng)的吸收變化滿足Beer－Lambert 氣體吸收定律［7］。

光脈沖在腔內(nèi)往返一個(gè)來回的時(shí)間tr=2L/c，其中c為光在空氣中的傳播速度，帶入式(1)得到

式(2)可簡(jiǎn)化為

于是，令衰蕩時(shí)間

通常兩個(gè)腔鏡的反射率是相等的，可設(shè)R =則

式(5)中，ts=tr/2 =L/c，為光脈沖信號(hào)在腔內(nèi)單程的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。當(dāng)腔內(nèi)沒有任何甲烷氣體時(shí)，即氣體吸收系數(shù)為零，此時(shí)衰蕩時(shí)間為

由式(6)可知，在衰蕩腔長(zhǎng)一定的條件下，光脈沖在腔內(nèi)的衰蕩時(shí)間由腔鏡的反射率決定。一般地，腔鏡的反射率R≥0.999，因此，式(5)可用泰勒級(jí)數(shù)展開，并取級(jí)數(shù)的第一項(xiàng)，則有

設(shè)

在衰蕩內(nèi)沒有甲烷氣體時(shí)，即α =0、k =k0，帶入式(8)簡(jiǎn)化得

由此可見，在衰蕩腔腔鏡反射率的確定和吸收腔的腔長(zhǎng)一定的條件下，甲烷氣體的吸收系數(shù)與氣體在腔內(nèi)的衰蕩時(shí)間倒數(shù)成正比。由于甲烷氣體的吸收系數(shù)是固定不變的，所以對(duì)同一氣體進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，就可以得到該氣體在不同波長(zhǎng)下的吸收光譜。

式(10)中，τ0為腔內(nèi)不含待測(cè)氣體時(shí)的衰蕩時(shí)間。

令Δτ=τ－τ0，則有

由式(11)可知，當(dāng)給定一個(gè)衰蕩腔時(shí)，反射率R和腔長(zhǎng)L 就已經(jīng)給定，如果我們測(cè)得空腔時(shí)的衰蕩時(shí)間和腔內(nèi)含有甲烷氣體時(shí)的衰蕩時(shí)間，就可以求得甲烷氣體的吸收系數(shù)，計(jì)算出甲烷氣體的濃度信息。

2 EDFA 光纖光放大原理

摻鉺光纖放大器(EDFA)隨著密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)的成熟也得到廣泛運(yùn)用。摻鉺光纖放大器具有帶寬大、增益高、噪聲低、對(duì)光偏振狀態(tài)不敏感等優(yōu)點(diǎn)。文中采用摻鉺光纖放大器(EDFA)設(shè)計(jì)了光信號(hào)的放大系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。系統(tǒng)是由光隔離器、波分復(fù)用器、泵浦光源、摻餌光纖和光濾波器組成。系統(tǒng)選擇的泵浦光源工作波長(zhǎng)為980 nm，激光泵浦源最大輸出功率均為80 mW，采用雙向泵浦的方式，以保證系統(tǒng)具有很好地抑制噪聲性能和較大的輸出功率。并采用一根長(zhǎng)度為60 m 摻鉺光纖來保證光線好的充分放大。在摻鉺光纖的前后兩端分別接了光纖光柵FBGt1和FBGt2組成光濾波器，其中，光纖光柵FBGt1是可調(diào)諧光纖光柵，用來調(diào)節(jié)摻鉺光纖的增益系數(shù)，F(xiàn)BGt2則是不可調(diào)的固定光纖光柵，光纖光柵FBGt1黏貼在壓電陶瓷(PZT)上，通過改變信號(hào)源電流，使壓電陶瓷(PZT)產(chǎn)生伸縮，實(shí)現(xiàn)光源發(fā)出光信號(hào)的中心波長(zhǎng)與待測(cè)甲烷氣體吸收波長(zhǎng)相吻合。光隔離器用來抑制反射光信號(hào)，使光放大器工作穩(wěn)定。文中所設(shè)計(jì)放大器的工作原理是，當(dāng)光源發(fā)出一定中心波長(zhǎng)的光信號(hào)，經(jīng)過光隔離，送入光纖光柵濾波后，得到與待測(cè)甲烷氣體的中心吸收波長(zhǎng)相吻合的光信號(hào)，光信號(hào)通過波分復(fù)用器和摻餌光纖進(jìn)行光功率放大。

圖2 摻餌光纖放大器Fig．2 Erbium doped fiber amplifier

3 甲烷傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前光纖通信在近紅外區(qū)有低損耗、低色散波段，甲烷氣體的傳感器的研究也主要在近紅外波段，甲烷氣體在近紅外波段的兩個(gè)吸收波長(zhǎng)為1.33 μm和1.65 μm。由于1.65 μm 的吸收強(qiáng)度明顯強(qiáng)于1.33 μm，所以系統(tǒng)選擇1.65 μm 作為檢測(cè)甲烷氣體的中心吸收波長(zhǎng)［8］。

基于光纖環(huán)衰蕩腔甲烷氣體濃度測(cè)量裝置的系統(tǒng)如圖3 所示。測(cè)量系統(tǒng)由可調(diào)諧激光脈沖發(fā)生器、光隔離器、增益可調(diào)摻鉺光纖放大器、可調(diào)衰減器、微腔氣室、耦合器、光電探測(cè)器、PC 機(jī)及光纖環(huán)路等部分組成。

圖3 氣體濃度的測(cè)量系統(tǒng)Fig．3 Gas concentration measurement system

系統(tǒng)的光脈沖產(chǎn)生器采用可調(diào)諧DFB 光脈沖發(fā)生器，輸出脈沖寬度覆蓋甲烷氣體的中心吸收波長(zhǎng)?？烧{(diào)摻鉺光纖放大器的增益控制可調(diào)衰減器的衰減，均通過PC 機(jī)的控制程序調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)光纖環(huán)路中增益或可調(diào)衰減器的變化，改變光脈沖的衰蕩時(shí)間，獲得平穩(wěn)的衰減信號(hào)。光纖光柵(FBG)是通過壓電陶瓷(PZT)電致伸縮效應(yīng)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)制。壓電陶瓷和光纖光柵黏貼在一起，這樣就可以通過控制壓電陶瓷的伸縮改變FBG 柵距Λ，達(dá)到對(duì)光脈沖中心波長(zhǎng)的控制，實(shí)現(xiàn)與甲烷中心吸收波長(zhǎng)吻合。微腔氣室主要由氣室和光纖準(zhǔn)直系統(tǒng)構(gòu)成，兩個(gè)高反射準(zhǔn)直透鏡距離約為5 cm。它的作用是把光纖中出射的光束變成準(zhǔn)直光，以減小耦合到光纖中的損耗，使測(cè)量的氣體濃度信息更加精確。

系統(tǒng)開始工作時(shí)，首先由可調(diào)激光脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈寬為5 ns，波長(zhǎng)包含甲烷氣體吸收譜中心波長(zhǎng)的激光脈沖，光脈沖經(jīng)摻鉺光纖放大器放大和可調(diào)衰減器調(diào)節(jié)，然后進(jìn)入光纖光柵濾波后，再經(jīng)微型腔吸收氣室后待測(cè)氣體吸收的光分為兩路，一路由光電探測(cè)器接收送入PC 機(jī)進(jìn)行處理。另一路光經(jīng)光隔離器繼續(xù)在光纖回路循環(huán)。當(dāng)光電探測(cè)器探測(cè)到的光信號(hào)的幅值為初始信號(hào)的1/e 時(shí)，PC 機(jī)就根據(jù)測(cè)得的衰蕩時(shí)間給出甲烷氣體的濃度。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真

利用上面搭建的氣體濃度測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)不同濃度下的甲烷氣體進(jìn)行衰蕩時(shí)間測(cè)量。實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程中，由于甲烷氣體衰蕩時(shí)間比較短，為方便測(cè)量，筆者通過調(diào)節(jié)EDFA 的增益和衰減器的參數(shù)來延遲衰蕩時(shí)間，使組合調(diào)節(jié)增益參數(shù)與氣體衰減在同一數(shù)量級(jí)。通過實(shí)驗(yàn)找出比較恰當(dāng)?shù)脑鲆鎱?shù)，使不同濃度氣體的衰蕩時(shí)間在可測(cè)量范圍內(nèi)。

首先對(duì)甲烷氣體濃度φ 范圍在10 ×10－6～100 ×10－6進(jìn)行測(cè)量，濃度變化值為10 ×10－6，實(shí)驗(yàn)記錄10 組數(shù)據(jù)。本次實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)脑鲆鎱?shù)約為0.001 dB，測(cè)量得到的10 組數(shù)據(jù)如表1 所示。由表1 可以得到氣體衰蕩時(shí)間與濃度的擬合關(guān)系，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)對(duì)CH4氣體在10 ×10－6～100 ×10－6之間的部分濃度光的吸收程度隨時(shí)間變化的仿真結(jié)果如圖5 所示。

實(shí)驗(yàn)還對(duì)甲烷氣體濃度范圍在110 ×10－6～200 ×10－6進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量濃度間隔為10 ×10－6，實(shí)驗(yàn)記錄10 組數(shù)據(jù)。本次實(shí)驗(yàn)確定的適當(dāng)增益約為0.05 dB，實(shí)驗(yàn)測(cè)量10 組數(shù)據(jù)如表2 所示，由表2 可得到甲烷濃度與衰蕩時(shí)間的擬合關(guān)系如圖6 所示。實(shí)驗(yàn)對(duì)CH4氣體在110 ×10－6～200 ×10－6之間的部分濃度光的吸收程度隨時(shí)間變化的仿真結(jié)果，如圖7 所示。

圖4 甲烷氣體濃度與衰蕩時(shí)間的關(guān)系Fig．4 Relation between gas concentration and corresponding ring-down time

圖5 甲烷氣體光吸收程度隨時(shí)間變化的關(guān)系Fig．5 Relation between light’s absorption and time with CH4

表1 甲烷氣體濃度與衰蕩時(shí)間Table 1 Gas concentration and ring-down time

表2 甲烷氣體濃度與衰蕩時(shí)間Table 2 Gas concentration and ring-down time

圖6 甲烷氣體濃度與衰蕩時(shí)間的關(guān)系Fig．6 Relation between gas concentration and corresponding ring-down time

圖7 甲烷氣體光吸收程度隨時(shí)間變化的關(guān)系Fig．7 Relation between light’s absorption and time with CH4

通過上述實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果可以看出，甲烷氣體濃度與衰蕩時(shí)間的擬合符合理論討論的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)過程中，由于測(cè)量系統(tǒng)光纖環(huán)路設(shè)計(jì)較短，所以甲烷氣體衰蕩時(shí)間比較短，測(cè)得衰蕩時(shí)間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的誤差。為了使誤差減小，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中引入了EDFA 和可調(diào)光信號(hào)衰減器的裝置，調(diào)節(jié)EDFA 的增益和可調(diào)光信號(hào)衰減器的相關(guān)參數(shù)，延長(zhǎng)系統(tǒng)的衰蕩時(shí)間，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好。

5 結(jié)束語

光纖環(huán)衰蕩方法測(cè)量氣體濃度的傳感系統(tǒng)可靠。文中分析了光纖衰蕩光譜法檢測(cè)氣體的基本原理。利用所設(shè)計(jì)的傳感系統(tǒng)，對(duì)甲烷氣體在不同濃度下光纖環(huán)路內(nèi)的衰蕩時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，并通過仿真軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出甲烷氣體衰蕩時(shí)間與濃度的關(guān)系，驗(yàn)證了理論的正確性。該研究為光纖環(huán)衰蕩方法在氣體濃度檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

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