文摘
一个紧凑的共振光声传感器基于近红外分布反馈(DFB)二极管激光器开发检测乙烷(C2H6)。5937.25厘米的分布反馈激光器发射−1∼5兆瓦的功率是作为激发光源产生的光声信号。了波长调制和二次谐波检测方案。调制频率和调制振幅进行了优化获得最佳性能。绩效评估基础上的线性响应不是传感器系统对C2H6浓度水平进行,在C不是信号的线性相关2H6浓度。最低检测浓度9 ppmv实现检测C2H6锁定时间常数为10 ms。
1。介绍
乙烷(C2H6)是第二大组件之间自然气体;因此,检测C2H6是歧视的一种有效方法CH4之间的泄漏天然气管道和生物垃圾填埋场或湿地的来源。检测C2H6同样重要的是在大气环境或监测C2H6强烈影响大气化学和气候作为最丰富nonmethane大气中碳氢化合物(1]。此外,C2H6检测发现应用呼吸作为非侵入性方法分析监测和识别疾病,例如肺癌和哮喘(2]。因此,开发C2H6传感器有一个强烈的需求在工业、环境、或医学应用。
激光spectroscopy-based气体传感器是一种有效的工具,用于实时、选择性、和敏感的检测痕量气体,具有广泛的潜在应用在环境监测、医疗诊断、工业过程控制(3,4]。光声光谱法,基于光声效应的亚历山大·格雷厄姆·贝尔于1880年首次被发现(5),是一个敏感、选择性和检测痕量气体的方法,已成功应用于许多应用程序(6,7]。不是技术几乎提供了几个重要的优点,比如高微量气体检测灵敏度的传感模块和宽动态范围小,不需要一个光探测器等光电二极管。与光谱技术,如集成腔输出光谱(这个理事会)8),腔环光谱(9),或与多通道细胞吸收光谱(10),不是一个“零底线”方法。此外,光声信号的幅度取决于的力量令人兴奋的光束。因此,不能够受益于使用连续波红外激光源发射光功率(高的能力11]。到目前为止,有几个不是技术包括传统共振与宽带麦克风(不是12],cantilever-based不是[13],quartz-enhanced不是(QEPAS) [14]。
在目前的工作,我们报道了我们最近的努力一个紧凑的发展不是传感器检测C2H6通过使用一个分布反馈(足协)二极管激光器操作在5937.2厘米−1∼5兆瓦的力量并激发光源产生的光声信号。商用的近红外足协二极管激光器提供一个健壮的、相对廉价的和有吸引力的选择。这种低成本,紧凑,和敏感不是传感器的C2H6非常适用于各种领域的应用,特别是对CH的歧视吗4泄漏天然气管道与生物来源的垃圾填埋场或湿地15]。
2。C2H6不是传感器配置
的原理图开发C2H6不是传感器平台如图1(一)。不是细胞建立铝与中心柱管的半径r= 5毫米的长度l= 100毫米作为声谐振器的设计。缓冲区容量的半径25毫米和50毫米的长度是双方的圆柱谐振器,并不是电池的总长度是200毫米(图1 (b))。C2H6显示了一个不肯舍弃振动转动吸收带1.68附近μ米(16,17]。因此,光纤耦合分布反馈(DFB)激光器可以在1.684 (NLK1E5GAAA NEL)操作μm作为激发光源产生的光声信号。激光电流和温度由一个商业控制二极管激光器控制器(ILX光波ldc - 3724)。粗和细进行波长调谐通过改变激光器的温度和电流,分别。波长调制和二次谐波检测被用于这项工作。双通道函数发生器是用来提供的电压斜坡扫描激光波长和正弦波调制激光波长。正弦波的电压斜坡和结合自制的加法器在激光驱动程序。激光电流是正弦波调制在共振频率的一半f0不是的细胞。激光光束与光纤耦合平行准直器(f∼4.8毫米),随后重点不是细胞用30 mm焦距透镜L。前置放大器(EG&G,型号5113)增益为25 - 6 dB带通滤波器(300 Hz-30千赫)是用于信号放大之前解调f0锁定放大器(斯坦福研究系统,模型SR 830 DSP)。锁定放大器的时间常数被设定为10 ms结合18分贝/倍频程斜率滤波器(Δ导致检测带宽f= 9.375赫兹)。的解调信号被数字化采集卡(ni - usb - 6212),通过虚拟仪器界面显示在一台笔记本电脑。
(一)
(b)
3所示。结果与讨论
C的直接吸收光谱2H6第一次测量来确定吸收峰。图2显示了一个C 3000 ppm2H6吸收光谱是通过使用一个紧凑的多通道测量吸收细胞的光学路径长度26.4米(10在正常大气压力。吸收峰被发现在5937.21厘米−1和相应的激光温度是31°C。因此,激光温度控制在31°C以下测量。
声谐振器的特性实验研究来确定具体的谐振器的谐振频率的大气环境。C的测量2H6不是与常数浓度5000 ppm信号在不同调制频率进行了这项研究。图3显示信号振幅的平方作为频率的函数。数据拟合洛伦兹曲线,描述在经典驱动振荡器作为频率的函数。从图中所示的结果3,最佳谐振频率f10= 1580赫兹谐振器被发现。这个值对应于第一纵向共振模式的谐振器18]。因此,激光波长在790赫兹的频率调制。
C2H6不是传感器系统设计运行在一个波长调制模式,可以有效地抑制背景噪声。然而,不是信号的波长调制依赖于调制振幅。因此,激光频率调制振幅也优化得到一个最佳的不是信号。图4显示了测量不是信号作为调制振幅的函数。在正常大气条件下进行测量。我们可以看到在图4、最佳调制正弦波的振幅不检测C2H6被发现是0.25 V当时用于以下测量。
基于线性响应的性能评估与优化参数C2H6不是传感器系统对C2H6浓度水平。校准标准气体混合物组成的10000 ppm C2H6:N2采用稀释和纯N2通过使用一个商业气体稀释系统(环境学,S4000)。正如预期的那样,不是信号的线性相关的C2H6浓度被发现。不是信号测量和拟合直线图所示5。
作为一个例子,图6描述了不是2fC的信号2H6浓度为100 ppmv 1000 ppmv,分别和5000 ppmv。相应的信号(虚线)的峰值为0.12 mV, 0.83 mV,分别和3.96 mV。为评价最低检出限的C2H6不是传感器,不是信号在空气中,噪声级,测量。图7显示PAS在空气和噪音获得100 ppmv C2H6不是信号进行比较。(1的噪音水平σ)定义为标准偏差被发现0.028 mV。考虑到不是0.33 mV获得100 ppmv C的信号2H6信号噪声比当时发现,11。因此,最低检出限估计9 ppmv C2H6检测。
4所示。结论
不是传感器检测C2H6是发达国家。使用波长调制和二次谐波检测方案,结合优化调制频率和调制振幅,实现良好的性能检测C2H6。良好的C不是信号的线性相关2H6浓度。最低检测浓度9 ppmv实现检测C2H610 ms的锁定时间常数和5兆瓦的光功率。开发C2H6不是传感器可以应用在天然气管道泄漏监测或工业过程控制。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金资助(41475023号,41730103,和41575030)和中国国家重点研发项目(2016号yfc0303900 and2017YFC0209700)。