李 勇

（合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230000）

六氟化硫（SF6）是一種工業(yè)領(lǐng)域中常用的合成氣體，其主要應(yīng)用于高壓、超高壓的電力設(shè)備中[1]。SO2也是工業(yè)社會(huì)中占有較大比重的污染排放氣體，隨著我國(guó)越來(lái)越重視生態(tài)環(huán)保，排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格。針對(duì)SO2排放情況大多采用定期檢測(cè)的方式，這種方式無(wú)法滿足現(xiàn)有生態(tài)環(huán)保制度下的新需求。因此，實(shí)現(xiàn)SO2的精準(zhǔn)在線檢測(cè)勢(shì)在必行[2]。

目前針對(duì)SO2氣體濃度的檢測(cè)技術(shù)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(xué)傳感器法[3]。其中，電化學(xué)傳感器法檢測(cè)的特點(diǎn)是靈敏度較高，檢測(cè)的響應(yīng)速度快，目前應(yīng)用較多；而紅外光譜法的響應(yīng)靈敏度較低，不適合實(shí)際的SO2濃度檢測(cè)；采用氣相色譜法的SO2濃度檢測(cè)一般檢測(cè)靈敏度較高、檢測(cè)穩(wěn)定性好，但是缺點(diǎn)也是十分明顯的，需要檢測(cè)的時(shí)間長(zhǎng)，且分辨率較低，不適合大規(guī)模的帶電現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)[4]。光譜學(xué)理論是研究電磁輻射與物質(zhì)相互作用的科學(xué)，光譜學(xué)與物質(zhì)能量狀態(tài)、物質(zhì)分子的躍遷及躍遷的強(qiáng)度密切相關(guān)。通過(guò)研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)與分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以解釋光譜學(xué)規(guī)律；相反，通過(guò)光譜學(xué)的規(guī)律也可以揭示物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律。電磁輻射與物質(zhì)相互作用的過(guò)程不同，能量的傳遞方式也不同。根據(jù)原子或分子的特征吸收光譜來(lái)研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和測(cè)定物質(zhì)的化學(xué)成分的方法，稱為吸收光譜分析[5]。

采用吸收光譜技術(shù)對(duì)氣體成分進(jìn)行檢測(cè)和分析具有明顯的優(yōu)勢(shì)，目前也廣泛被用于氣體濃度的靈敏、在線、連續(xù)、快速和非接觸的監(jiān)測(cè)中。因此，本論文基于吸收光譜技術(shù)，為提高SO2的檢測(cè)精度，進(jìn)一步融合光纖衰蕩光譜技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)基于偏振光干涉、衰減振蕩的氣體傳感器，實(shí)現(xiàn)SO2濃度的準(zhǔn)確檢測(cè)。

1 基于光纖Sagnac干涉衰蕩腔的氣體傳感系統(tǒng)

1.1 基于光纖的Sagnac干涉計(jì)

基于HC-PCF光纖的Sagnac干涉計(jì)如圖1所示。a，b，c，d為耦合器的4個(gè)端口，其中a為光信號(hào)的輸入端口，b為光信號(hào)的輸出端口。光信號(hào)從端口a輸入后，經(jīng)過(guò)耦合器會(huì)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?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?，從端口d輸出的光傳輸方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?；同時(shí)，端口c的光束經(jīng)保偏HC-PCF光纖傳輸?shù)蕉丝赿，端口d的光束經(jīng)保偏HC-PCF光纖傳輸?shù)蕉丝赾。2束逆向光經(jīng)過(guò)耦合器進(jìn)行耦合后從端口b輸出。端口c和端口d的2束光會(huì)產(chǎn)生相位差，但由于圖1中的Sagnac環(huán)形結(jié)構(gòu)具有互易性，并不會(huì)產(chǎn)生2束逆向光的相位差，因此2束逆向光的相位差僅僅產(chǎn)生于環(huán)形腔的保偏HC-PCF光纖結(jié)構(gòu)中。

圖1 Sagnac干涉計(jì)

如上所述，端口c和端口d的2束光為逆向光，當(dāng)這2束傳播路徑相反的光在耦合器中進(jìn)行耦合時(shí)會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，Sagnac干涉計(jì)的干涉譜如圖2所示。2束光干涉后的光強(qiáng)Isagnac可由下式表示

圖2 Sagnac干涉計(jì)的干涉譜

式中：B為偏振光纖的雙折射系數(shù)；L為偏振光纖的長(zhǎng)度；λ為輸入光的波長(zhǎng)。

基于上述的Sagnac干涉計(jì)，當(dāng)干涉譜發(fā)生移動(dòng)時(shí)，耦合器端口b的輸出光的強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生變化。

1.2 傳感系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于光纖Sagnac干涉衰蕩腔的氣體傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，中間部分為Sagnac環(huán)氣室，其主要由偏振空芯光子晶體光纖（HC-PCF）構(gòu)成，HCPCF上面的多個(gè)微型孔可以保證待測(cè)氣體進(jìn)入纖芯；HC-PCF的兩端與2個(gè)耦合器輸出端進(jìn)行連接，構(gòu)成了Sagnac干涉計(jì)；Sagnac干涉計(jì)位于光纖衰蕩腔內(nèi)，當(dāng)SO2在激光器泵浦光下產(chǎn)生溫度變化時(shí)，偏振HCPCF中的偏振系數(shù)也將發(fā)生改變，進(jìn)一步引起Sagnac干涉計(jì)的干涉譜平移，以及環(huán)形腔衰蕩時(shí)間的變化[6]，因此，通過(guò)測(cè)量環(huán)形腔衰蕩時(shí)間的變化即可實(shí)現(xiàn)SO2的檢測(cè)。

圖3 基于光纖Sagnac干涉衰蕩腔的氣體傳感體系結(jié)構(gòu)

1.3 光譜光熱技術(shù)

當(dāng)纖芯內(nèi)注入待檢測(cè)氣體，激光器的泵浦光通過(guò)光纖時(shí)，泵浦光在偏振HC-PCF的作用下會(huì)產(chǎn)生一系列的變化，如圖4所示。激光器泵浦光的波長(zhǎng)與待檢測(cè)氣體的吸收峰具有重合性，當(dāng)泵浦光通過(guò)待檢測(cè)氣體時(shí)，待檢測(cè)氣體對(duì)激光器的泵浦光具有很強(qiáng)的吸收特征。由于待檢測(cè)氣體吸收了一部分的光子能量，相應(yīng)的引起待測(cè)氣體密度、溫度及折射率等物理特征發(fā)生變化，進(jìn)而光纖的徑向和橫向均受到應(yīng)力的作用。由于光纖橫向和徑向的應(yīng)力作用，偏振HC-PCF的快慢軸的折射率差就會(huì)發(fā)生變化。

圖4 光熱光譜效應(yīng)

設(shè)激光器泵浦光在光纖中傳輸z m距離后的光強(qiáng)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(diǎn)光的強(qiáng)度；Ppump（z）為激光器泵浦光的功率值；ω對(duì)應(yīng)光纖的模場(chǎng)半徑；r為到光中心點(diǎn)的距離。

待檢測(cè)氣體對(duì)泵浦光具有吸收性，導(dǎo)致光纖內(nèi)待檢測(cè)氣體的折射率發(fā)生變化。折射率的變化可以表示為

由光纖內(nèi)待測(cè)氣體的折射率發(fā)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(shù)。

1.4 氣體測(cè)量的靈敏度

設(shè)Ii為系統(tǒng)的入射光脈沖，I0為通過(guò)氣勢(shì)衰減后的光脈沖，則Ii與I0的關(guān)系可以表示為

式中：LS為整個(gè)氣室的長(zhǎng)度；α為特定波長(zhǎng)吸收系數(shù)。通過(guò)上式可知，I0只與待測(cè)氣體的濃度C有關(guān)。定義氣體測(cè)量的靈敏度為輸出光脈沖的變化量與待測(cè)氣體濃度變化量的比值。假設(shè)待測(cè)氣體的濃度C的變化量為ΔC，相應(yīng)的輸出光脈沖I0的變化量為ΔI0，可得

實(shí)際中，α和LS均小于1個(gè)單位，且當(dāng)ΔC較小時(shí)，αΔCLS≤1，則上式可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

因此，可得氣體測(cè)量的靈敏度γg為

由上式可知，γg值越大，則表示氣體測(cè)量的靈敏度越高。系統(tǒng)靈敏度可以看成入射光脈沖Ii、吸收系數(shù)α和氣室長(zhǎng)度LS的函數(shù)。實(shí)際中，為實(shí)現(xiàn)更高精度的氣體濃度檢測(cè)，需要提高檢測(cè)的靈敏度，由上式可知，適當(dāng)提高入射光脈沖Ii的強(qiáng)度、增加氣室LS的長(zhǎng)度可以提高檢測(cè)的靈敏度。

1.5 氣體測(cè)量的分辨率

氣體測(cè)量的分辨率即系統(tǒng)可以檢測(cè)的最小濃度的變化量[7]。測(cè)定分辨率的理論方法為，在氣室內(nèi)待測(cè)氣體量為0、輸出光脈沖強(qiáng)度為I0下，逐步增加氣室內(nèi)待測(cè)氣體的量，當(dāng)檢測(cè)到輸出光脈沖強(qiáng)度Ii發(fā)生變化時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的氣體濃度即系統(tǒng)氣體測(cè)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(jìn)一步簡(jiǎn)化為

由上式可知，ΔCmin越小，則表示系統(tǒng)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(shù)α和氣室長(zhǎng)度LS的函數(shù)。同理，為提高分辨率，可以提高入射光脈沖強(qiáng)度Ii和提高氣室LS的長(zhǎng)度。需要注意的是，增加氣室LS的長(zhǎng)度，則系統(tǒng)的體積將增大，這會(huì)給系統(tǒng)的封裝帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)進(jìn)行參數(shù)選擇時(shí)，一般為減小ΔI0/Ii的值，根據(jù)靈敏度和分辨率的實(shí)際需求及系統(tǒng)的體積要求，確定合理的LS值。

2 SO2濃度計(jì)算方法

通過(guò)圖1所示的系統(tǒng)可以對(duì)SO2氣體進(jìn)行檢測(cè)和分析?；诠庾V學(xué)理論可以計(jì)算SO2濃度，具體過(guò)程如下。

設(shè)光波長(zhǎng)為λ，相應(yīng)的入射光強(qiáng)度和出射光強(qiáng)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(cè)SO2氣體在波長(zhǎng)λ處的吸收截面；N為SO2氣體分子數(shù)。

在檢測(cè)得到的吸收光譜上，隨機(jī)截取相近的2個(gè)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)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(jì)算

由此可知，當(dāng)檢測(cè)到SO2的吸收光譜后，在吸收光譜上選擇臨近2點(diǎn)，即可通過(guò)上述理論計(jì)算待測(cè)SO2氣體的濃度。

3 SO2檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用1 578.12 nm的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，其電流-波長(zhǎng)的可調(diào)諧范圍約為1個(gè)nm。利用基于Sagnac干涉衰蕩腔的氣體檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)3種不同濃度的SO2氣體依次進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)檢測(cè)吸收光譜，并通過(guò)第二節(jié)中的理論，依次計(jì)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(shí)的光譜衰蕩曲線，由圖可知，衰蕩時(shí)間隨著SO2濃度的增加而減小。圖6給出了SO2濃度與衰蕩時(shí)間關(guān)系，圖6中的擬合曲線證明兩者之間的關(guān)系為線性關(guān)系，擬合曲線的斜率為-2.1 μs/ppm。此傳感檢測(cè)系統(tǒng)可分辨的衰蕩時(shí)間為1%，此系統(tǒng)可檢測(cè)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(shí)間

4 結(jié)論

本文首先分析了吸收光譜技術(shù)檢測(cè)SO2氣體的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；然后，結(jié)合光纖衰蕩光譜技術(shù)，利用光熱原理與Sagnac干涉原理，設(shè)計(jì)出了基于偏振光干涉技術(shù)的SO2氣體傳感檢測(cè)系統(tǒng)，并分析了系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度與分辨率；最后，給出了SO2氣體濃度的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了SO2氣體的高靈敏度、高分辨率檢測(cè)，該系統(tǒng)可檢測(cè)的最小SO2的濃度為0.1 ppm。