文摘
在这个工作我们描述了光纤传感系统检测低水平的甲烷。空心光子晶体纤维的性质探讨有有利的特征气体传感探头,尤其是关心内在读出灵敏度和气体扩散时间传感结构。传感器应用执行审讯波长调制光谱技术,研制了便携式测量单元与性能适合远程检测低水平的甲烷。这个便携式系统有能力同时询问四个远程光子晶体光纤传感头。
1。介绍
1.1。光学检测甲烷
甲烷是一种极其爆炸性气体和天然气的主要成分之一;所以它的检测是十分重要的话题。甲烷传感激光吸收的概念在1961年被首次提出由摩尔(1),后来证明了格兰特(2]在1986年使用一个氦氖激光。尽管甲烷有很强的吸收线为3.3m,这个波长区域不适合光纤传感器应用程序由于损失较高标准光纤,也因为它是很难制造激光二极管工作在波长大于2.2在室温下。为了有效地使用目前可用的低损耗光纤,在1.1 - -1.8附近的近红外远程检测m是可取的,光纤最低输电损耗(< 1 dB /公里)。甲烷在这一地区有两个吸收带,对应波长的1.33m和1.651.65米。这是发现m乐队的甲烷吸收更合适考虑光纤的低损耗在这个地区,吸收系数更大,同时光谱宽度的情况下是更广泛的比1.33m带(3]。
一些作者已经提出了很多配置使用激光二极管,特别是,分布反馈(DFB)激光器几乎单色发射,在带宽比单独的气体吸收谱线窄得多。这些设备是一个合适的解决方案optical-based自分布反馈激光器气体传感技术已达到成熟由于其广泛的使用在通信系统中,与随之而来的大量减少相关的成本。
1992年,Uehara和大4)展示了高灵敏度的实时远程检测甲烷在空气分布反馈操作为1.65米(传输和反射方案)。对峙和Grasdepot5)提出了一个使用1.31甲烷光学传感器米分布反馈激光器和提出了一种新的基于振幅调制的信号处理技术提供autocalibration。
光纤甲烷传感器的性能限制使用GRIN镜头在传输或反射配置被斯图尔特等检查。6]。分布反馈激光器表现出很长的相干长度,因此,multireflections发生气体细胞和关节内/连接器产生干扰信号产生的谐波输出的气体信号。
2000年,Iseki et al。7)开发了一种便携式远程甲烷传感器基于使用分布反馈激光器频率调制,抖动技术采用的地方,第一次和第二次衍生品的吸收线与气体浓度直接相关。
陈等人。8,9)开发了一个光学遥感系统微分吸收测量各种易燃、易爆、和污染物质采用低损耗光纤网络和近红外高辐射了。高度敏感的技术实现用人power-balanced two-wavelength微分系统中吸收的方法,使直接微分吸收信号检测特定分子被监视。
2003年,Whitenett et al。10]报道的另一个光学配置环境监测应用,即利用腔铃流光谱使用掺铒光纤放大器(EDFA)。这个配置监控指数衰减的光脉冲在一个理想的毒气室展品非常高的技巧,因此造成1 / e衰荡时间非常长,非常敏感的小腔损耗的变化,诱导,例如,通过在腔气体吸收器。
光声光谱(Kosterev et al。11])是另一个技术吸收分析物的检测,它依靠光声效应。在这个有趣的技术,样品气体在一个室,调制(如碎)辐射进入吸收通过一个透明的窗口和活跃分子的物种。气体的温度从而增加,导致周期性扩张和收缩的气体体积,同步辐射的调制频率。这一点,因此,产生的压力波振幅(测量与简单的麦克风)与气体浓度有关。
另一种方法称为多路传输吸收光谱可以用镜子使用,由室两端充满目标样本(12]。光束通过细胞,来回折叠创建一个扩展定义的光学路径长度在一个狭小的空间里。虽然提出了一种灵敏度高,系统响应缓慢的相对较高的体积浓度波动和所需的样本构成了这一技术的主要缺点。
其他方法也被实施,探索不同类型的纤维(如D-fibre)和效果,如隐失波吸收(Culshaw et al。13])。他们的主要障碍,即低敏感性相互作用长度短,杂散干扰效应,通过表面污染和退化,分析(Stewart et al。14),确定D-fibre甲烷气体传感器的灵敏度可以改善平面的饰面指数高的纤维层,达到检测极限低于5 ppm(穆罕默德et al。15])。
最近,一些作者提出了气体检测新方法。Benounis et al。16)展示了一种新的基于cryptophane损耗光纤传感器分子沉积在一个电脑(polycarbosilane)纤维。罗伊et al。17)展示了一种甲烷传感器的基础上,利用管和碳纳米纤维沉积的电沉积技术。
回顾光学传感的方法可以找到甲烷检测工作的Magalhaes [18]。
1.2。气体传感与光子晶体纤维
微观结构纤维的孔打开新的机遇利用光的相互作用与气体或液体。与填充的可能性PCF与气体的空气孔,与大型互动长度、监测或检测气体的新方法是可能的。隐失场气体传感PCF的孔(孟氏et al。19])或纤维随机孔结构(Pickrell et al。20.)已被报道。Hoo et al。21演示了一个吸收光谱隐失波乙炔检测系统基于75厘米长度PCF传感头。同一组的另一个工作提出了一种设计和造型PCF-based结构气体传感与增强的特点,依靠与使用相关的放大效应multicoupling差距(Hoo et al。22])。
另一方面,Ritari et al。23]研究了光子气体特征通过监测在空气隙参数。甲烷检测在1670 nm乐队使用并用报道(Cubillas et al。24])。10 ppm /体积的检出限与系统配置中使用的经验估计。Cubillas et al。25)也发表了一份工作描述甲烷传感,并用在1.3m。其他作者研究了基于隐失波吸收气体传感的特点在实芯包层空气孔填充(Cordeiro et al。26,27李,et al。28])。侧访问PCF的孔是证明了Cordeiro et al。27]。方法在于插入液体或气体时感觉到外侧的纤维光学监控的建议。一个优雅的解决方案内的气体的填充时间长纤维提出了范Brakel et al。29日),利用飞秒激光钻井对于空心和实心pcf。
光学遥感的综合评估基于光子晶体纤维可以找到工作的Frazao et al。30.]。
这项工作报告光学传感系统的发展为远程敏感检测甲烷的基于空心光子晶体纤维和波长调制光谱(WMS)。
2。传感系统
空心光子晶体纤维(HC-PCF)结构的光引导而不是全内反射光子能带的就像绝缘体的包层光。HC-PCF包层是由数以百计的定期间隔的空气孔二氧化硅矩阵,通常安排在蜂蜜combed-like模式。图1(一)显示了截面的空心纤维用于实验。可以看到,并用形成等的抑制周期性间隔蜂蜜combed-like空气孔。这些纤维表现出巨大的潜在长期以来关于气体传感交互长度可以创建光和天然气共享一个共同的路径,因此,使HC-PCF气体传感头的发展。这个特殊的纤维是一种场HC-PCF(因为7删除这些小结构)的核心直径161.65米。探索甲烷的吸收带,纤维是为了有一个良好定义的能带在这个光谱区。同时,超过90%的光传播的核心,保证高场重叠的气体,因此提高检测灵敏度(31日]。这种纤维的透射谱约1.65米图所示1 (b)使用可协调的激光器,获得。
(一)
(b)
2.1。扩散时间
传感头的一个关键因素预计检测危险气体的测量时间。在大多数情况下,这不是有限的内在时间常数光电组件,但通过气体的扩散时间为测量体积。这个问题尤其相关,当这些数量减少和访问只能通过特定的输入,当PCF纤维一样。因此,这个问题的上下文中详细研究了这项工作。
被认为是一个HC-PCF纤维与一个开放端面沉浸在甲烷气氛和其他端面封闭。甲烷逐渐渗透扩散的纤维。气体的扩散特征的相对浓度在纤维在纤维平均长度。通过整合当地可以找到这个浓度浓度,获得通过求解扩散方程和相应的边界条件。对于平均相对浓度以下表达式,代表无限求和的形式,被认为是(22]:
在哪里纤维的长度,D甲烷的扩散系数,t是时候了。甲烷在氮的扩散系数(32]。使用这个值,平均相对浓度在时间依赖的四个纤维长度(0.02,0.06,0.18,和0.54米)绘制。结果如图2(一个)。的情况下纤维和两个开放结束后,纤维内部的平均相对甲烷浓度获得(1),取而代之的是,导致图中给出的依赖2 (b)。应该提到,这些计算表面效应被忽略,鉴于的核心的大大大直径HC-PCF相比,气体分子的大小。表1总结结果相对于扩散时间的甲烷HC-PCF和两端开放。
(一)
(b)
这种分析可以得出这样的结论:光纤作为传感头的长度将直接影响传感系统的响应时间,限制气体可能需要的时间扩散到洞。正如所料,两个开放结束内部的气体扩散微观结构纤维发生更快比单一开口端配置。
2.2。传感头
优化传感器灵敏度的前提下的响应时间的结构设计被认为是引入周期性开口沿着光纤传感头,如图3(一个)。几个空心光子晶体光纤(HC-PCF)块连接通过butt-couplings [31日]。如前所述,每个段的长度可以通过调优控制传感器内的气体的扩散速度,因此传感器的响应时间。反过来,段的数量决定了总纤维长度和,因此,决定了传感器的灵敏度。标准的锆交配的袖子,如图3 (b),被发现适合这butt-coupling的方法。
(一)
(b)
金属环内的HC-PCF对齐使用纳米分辨率定位阶段,可以看到图4。袖子是故意的直径略小于套管的直径。一个狭缝袖子的长度提供了一些额外的灵活性内径和允许袖像一个小弹簧(径向)。这种机制确保套管夹紧套筒内部,从而优化调整。因为这是调整光纤连接器的标准技术,技术成熟,组件是相对便宜。此外,狭缝的袖子也适合允许气体扩散通过打开缺口。图5显示了不同的链HC-PCF段与这个方法。这多节的传感器被放置在一个石英管,就像一个毒气室,大大促进了实验测试。传感头的插入损耗是引起的损失的结果每个对接和可以量化为在前一个工作(卡瓦略et al。31日]),在那里的光耦合特征19-cell HC-PCF焊条直径,从而引导模式的行为,非常类似于场HC-PCF纤维使用。通常,人们发现每个对接接头的损失小于1分贝。
(一)
(b)
(c)
足够的传感头包装,包括纤维包装几个对接接头部分,这可能是由于光纤的几何灵活性,体积增加时对接接头段数量的增加可以遵循一个缓慢的增长。
2.3。审讯技术
的能力与前面描述的敏感检测甲烷传感器需要高性能的审讯方法的考虑。因此,波长调制光谱技术(WMS)中选择对其有利的特点(银33])。在WMS,慢慢源波长调制,席卷整个吸收峰,和更高的频率信号(抖动)是叠加在这个信号。随着排放源的波长缓慢通过气体吸收线扫描,波长调制成为调幅,呈现的最高幅度,因为它通过最高吸收峰的斜率点,呈现在图6(一)。计划在这个图表示,这种审讯方法要求光学来源应该有一个线宽显著小于气体的吸收线物种被监视。考虑到检测带宽是转移到更高频率的激光强度噪声降低对散粒噪声,信噪比是大幅增加,这意味着更好的测量分辨率。这个概念类似于数据编码的边带的无线电传输载波。图6 (b)显示了光谱频率调制激光器的输出,那里可以看到载波频率和边带频率±。因此,当激光慢慢通过吸收线扫描,吸收的光量,由Lambert-Beer法律气体浓度成正比,“写”到边带。示意图,这是在图表示6 (b)作为一个边带的振幅下降。因此,吸收信息可以通过锁定放大器,检索一个电压输出可以生成与气体浓度成正比。
(一)
(b)
一些功能的审讯技术可以更好地欣赏观察图中所示的曲线7。他们是相对于乙炔,气体在系统开发阶段使用,因为它显示了一个吸收带大约1530纳米(图7(一);最强的乙炔吸收峰分支的+乐队),一个高度方便光谱位置考虑大范围的光纤组件可用于视图的位置在第三光通信光谱窗口。乙炔(压力之间的相互作用200托,One hundred.发生在一个浓度)和光学字段台30毫米的长度。激光源用于这些实验是一个avanex - 1905 LMI分布反馈激光器优化操作在1530海里。锁定放大器锁抖动频率,输出信号的一阶导数气体吸收线,它等于零当源波长集中在吸收峰(图7(b)。二次谐波锁定放大器的输出是输出的导数跟踪抖动频率和达到最大吸收峰值波长(图7(c),禁用慢源发射波长调制和稳定吸收峰,犹豫不决引起传输信号的频率与幅度抖动的两倍,这取决于气体浓度。
这种检测方法因此将调频调幅。被测信号将包含交流和直流分量。光功率的波动(从源、纤维弯曲等)一般会修改信号的交流和直流分量;所以直流分量的交流分量的比例仍然是相当的,因此只有气体浓度的影响。这光功率波动不敏感是WMS方法的主要优势之一。
图8显示了光电检测的详细方案技术位于世界媒体峰会。理想情况下,一个光学源适合WMS方法有以下属性:高功率(保证良好的信噪比和允许传感器复用),窄线宽(相比,甲烷吸收谱线的线宽),这也是重要的提高信噪比,可协调的发射波长。分布反馈激光器以可承受的成本满足所有这些需求。足协二极管可调谐波长通过改变温度或操作电流。虽然current-tuning有利于快速调制任务、热调优的优势提供极大mode-hop免费的调谐范围。在配置呈现在图中,德国足协的波长光学来源是调制频率通过当前的调优。然后引导光线通过定向耦合器。的一部分光被发送到一个参考气体细胞而其余部分的光发送到传感头。参考单元是用来防止激光波长锁定的气体吸收线。监测的光从参考细胞发生与调制频率锁定放大器的工作,以及由此产生的信号反馈到激光驱动程序。光来自传感器分析两部分组成。直流分量是使用低通滤波器过滤掉,和两倍频率振幅调制信号隔离使用同步检测2。气体浓度的信息得到的比率,在那里同步信号的振幅检测到2吗和直流连续的水平。这个关系收益率吸光度,因此气体浓度。由此产生的信号,如前所述,应该独立的光功率波动。
为了使气体浓度的变化和测试实现设置HC-PCF-based传感头,毒气室是发达(图9)。室是密封的,有一个气体输入和输出以及压力压力计和光学引线允许纤维的入口。内部的室还有两个U-benches不同路径长度(30毫米和6.8毫米)。
(一)
(b)
(c)
(d)
虚拟仪器应用了控制信号生成,采集以及所有单一处理阶段。标准的计算机和虚拟仪器采集板工作台已经实现,目标执行系统集成的一种可移植的、可定制的系统进行远程检测气体种类
3所示。结果
实验安排实现测试气体扩散时间HC-PCF如图10 ()。标准SMF透射光HC-PCF和引导检测单位。注射后气室(的混合物的甲烷和氮),透射光的衰减时间内气体的吸光度造成HC-PCF注册。HC-PCF传感头的长度是13.7厘米。光的来源,分布反馈激光器优化工作在1666海里,在发射最强的甲烷吸收线分支的乐队(Rothman et al。34])。抖动的频率信号,调节足协500 Hz。允许气体扩散,输入和输出之间的差距SMF和HC-PCF被使用的角度保证套管(FC / APC)的标准纤维(图10 (b); 176年米)。这些金属环,展示一个8°角,被选中,是因为他们不允许菲涅耳反射(silica-air接口)回引导。
(一)
(b)
HC-PCF内甲烷扩散的结果呈现在图11。它可以观察到的时间稳态是248秒,而理论上预测的值(从(1),取而代之的是)约为241秒,因此导致的相对误差2.8。因此,本协议确认采用的可靠性模型。
甲烷传感器的检测极限可以估计的信噪比(信噪比)的解调信号。二次谐波峰值在1000 Hz的信噪比50 dB,它对应于一个甲烷的浓度,或者50 000 ppm。在线性范围内,信噪比316年,这意味着我们能够检测浓度较小的因素。因此,传感头长度13.7厘米,在双方允许甲烷检测极限158 ppm。
如果更多的部分被认为是在传感头,如图5,检测极限应提高比例的增加与气体相互作用长度。然而,有注意到存在有害影响与肤浅的模式在纤维中空心的边界。这些模式产生干涉效应,降低信噪比。研究旨在解决这个问题。
寻找研发上面描述的现场应用,开发出相应的光电便携式测量装置,测量气体浓度与HC-PCF-based传感器。便携式装置集成了一个电脑主板、内存、硬盘、触摸屏等),多路复用的光电板和光学转换能力四个远程光子晶体光纤传感头。虚拟仪器的应用程序开发控制测量单元系统,提出了一种图形界面给用户。实现系统的图表呈现在图12(一个),而图12 (b)显示设备的照片。图12 (c)使屏幕单元情节代表系统响应变化的甲烷浓度传感头。
(一)
(b)
(c)
4所示。结论
这项工作报告检测的光纤传感系统的发展水平较低的甲烷,基于遥感的概念,探讨了有利的特征气体传感的空心光子晶体纤维一起波长调制光谱审讯技术。传感头结构设计与敏感的甲烷检测和兼容的可接受的测量时间,这是与气体扩散时间到测量体积。获得的结果证实这种传感方法的潜力,和目标领域应用便携式测量单元的开发,有能力同时询问四个远程光子晶体光纤传感头。