專利名稱：一種甲烷濃度的檢測方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣體檢測領(lǐng)域。特別涉及一種用紅外發(fā)光二極管(LED)作光源、法布里-珀羅標準具(以下簡稱F-P)標準具選頻、利用差分原理進行甲烷探測的方法和器件。
背景技術(shù)：
甲烷是一種可燃氣體，是繼煤炭、石油后又一重要天然燃料。但由于甲烷在空氣含量超過5.3％，遇火就會發(fā)生爆炸，所以又是一種易爆氣體，煤礦瓦斯爆炸給國家經(jīng)濟和人民安全帶來重大的損失。同時甲烷在大氣中含量增加，還會產(chǎn)生溫室效應(yīng)，這也是環(huán)境保護的重要課題。
與本發(fā)明相近的現(xiàn)有技術(shù)是一篇題目為“差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器的研究”文章，刊登于《光電子·激光》第12卷第7期2001年7月。文章根據(jù)甲烷氣體的吸收光譜，研究了用LED作光源的差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器。檢測方法是使用兩個LED光源，其中主光源光波長λ1＝1.33μm，另一個參考光源波長λ2＝1.27μm；甲烷氣體濃度為C=1α(λ1)-α(λ2)×I(λ2)-I(λ1)I(λ2)]]>在波長λ1、λ2下，若氣體的吸收系數(shù)α1、α2可以測量，則氣體濃度就可以從I(λ2)-I(λ1)和I(λ2)的測量中求出。
現(xiàn)有技術(shù)的差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器系統(tǒng)如圖1所示。F1、F2分別為中心波長λ1、λ2的干涉濾光片，兩個LED光源1和2由多諧振蕩器3驅(qū)動，A為可變消光片。LED發(fā)出的光分別經(jīng)干涉濾光片F(xiàn)1、F2后，再經(jīng)耦合器4與傳輸光纖5進入探測氣室6，透射光由光電二極管7轉(zhuǎn)換為電信號。差分信號I(λ2)-I(λ1)由鎖相放大器8檢測給出。圖1中，9為顯示器，10為單片機。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，設(shè)計了一種以光強為測量量的差分方法和具體的計算公式，快速準確安全的探測甲烷濃度。使本發(fā)明的方法和裝置在能源開采，環(huán)境保護等方面發(fā)揮重要作用。
甲烷的2ν3振轉(zhuǎn)吸收帶位于1650nm附近(它們的光譜數(shù)據(jù)由專業(yè)數(shù)據(jù)庫HITRAN2000得到)，恰好處在大氣透明窗口內(nèi)，這使直接遠距離探測甲烷濃度成為可能。
本發(fā)明的甲烷濃度的檢測方法是，使用發(fā)光光譜在1400nm～1800nm的范圍內(nèi)的光源，選擇兩端內(nèi)表面反射率為Rm，腔長為d的諧振腔；光源發(fā)出的光透過被檢測的氣體和諧振腔后被探測器接收；調(diào)節(jié)諧振腔腔長，使諧振腔透射峰與甲烷的吸收峰位置完全吻合，此時諧振腔腔長為d1，探測到光強的最小值Imin；再調(diào)節(jié)諧振腔腔長，使諧振腔透射峰與甲烷的吸收峰錯開，此時諧振腔腔長為d2，探測到光強的最大值Imax；最后由下列的公式計算得到甲烷的濃度，C=(1-IminImax)×1-Rm1+RmΣiKi/[1+F×Sin2(2πvid1)]-IminImax×ΣiKi/[1+F×Sin2(2πvid2)]]]>公式中F＝4Rm/(1-Rm)2，υi為甲烷2υ3帶R支各吸收峰對應(yīng)的波數(shù)，Ki＝2*Si*L，其中Si為各波數(shù)對應(yīng)的吸收強度，υi和Si見圖2，L為被探測甲烷氣體所在區(qū)域的長度。
所說的調(diào)節(jié)諧振腔腔長，可以是在諧振腔的一端裝有壓電陶瓷管，用鋸齒波電信號加在壓電陶瓷管上。
按照上述的甲烷濃度的檢測方法，本發(fā)明主要是利用F-P對寬帶光源進行濾光。當我們選擇了合適的F-P腔長時，就會使透射光與甲烷的吸收峰相吻合，但當我們微調(diào)F-P腔的距離時，透射光又會與吸收峰分開。這樣就可以利用差分方法來計算甲烷的濃度了。
本發(fā)明的裝置系統(tǒng)中所采用的光源LED中心波長為1650nm，發(fā)光光譜在1400nm～1800nm的范圍內(nèi)，對應(yīng)的半寬度為150nm。如果讓LED發(fā)出的光經(jīng)過甲烷氣體的吸收后，直接由光電二極管(PD)探測接收，那么PD能探測到的信號變化是非常小的，因為甲烷在2ν3帶的半寬度只有十幾個納米，相對于LED150nm的半寬度來說是很小的。為了提高測量精度，我們主要采用了兩種方法。一是在光路中加濾光片，縮小光譜范圍，使LED的光譜寬度與甲烷吸收帶的寬度大致相等，將沒有用于吸收的光濾掉。二是利用F-P標準具。我們知道，F(xiàn)-P具有濾光作用，其光譜透過率τ可用公式τ=11+F×Sin2(2πndυ)]]>表達，F(xiàn)＝4Rm/(1-Rm)2，Rm是F-P鏡片內(nèi)表面的反射率，Rm可選擇85％～95％，n是空氣的折射率，d是腔長，υ是波數(shù)。通過選擇合適的反射率和腔長，可以使F-P的透過峰與甲烷的吸收線較好匹配在一起。
本發(fā)明的檢測甲烷濃度的裝置具體結(jié)構(gòu)是，使用LED發(fā)出的紅外寬帶光作為光源，發(fā)光光譜在1400nm～1800nm的范圍，按光路順序，光源發(fā)出的光經(jīng)準直透鏡變?yōu)槠叫泄?；?jīng)過探測氣體后通過匯聚透鏡，進入法布里—珀羅標準具；再通過聚焦透鏡后，被探測系統(tǒng)接收；最后是進行數(shù)據(jù)處理并輸出結(jié)果的計算機。所說的探測系統(tǒng)由光電二極管和鎖相放大器組成。
所說的法布里—珀羅標準具結(jié)構(gòu)為兩片BaF2玻璃，相對的兩個內(nèi)表面鍍反射率大于或等于85％的高反射膜，形成諧振腔；一片鏡片直接固定在光具座上，另一片鏡片與壓電陶瓷管固定裝在光具座上；信號發(fā)生器與壓電陶瓷管電聯(lián)接提供調(diào)制信號，信號發(fā)生器與鎖相放大器電聯(lián)接提供參考信號。
前述的紅外寬帶光源工作波長范圍可以是1635nm～1655nm，覆蓋甲烷的2υ3吸收帶。
前述的信號發(fā)生器可以是多功能函數(shù)信號發(fā)生器，為法布里—珀羅標準具的壓電陶瓷管提供鋸齒波調(diào)制信號。
法布里—珀羅標準具外側(cè)的兩個面鍍窄帶通的濾光膜，使1635nm～1655nm波段的光通過，其它光被濾掉。一個鏡片直接固定在光具座上，另一片經(jīng)壓電陶瓷管連在光具座上，使初始腔長d為0.505mm～0.510mm。通過改變加在它上邊的電壓，就可以實現(xiàn)微調(diào)F-P腔長的目的，在壓電陶瓷管長度為1.5cm～2.5cm時，信號發(fā)生器提供給壓電陶瓷管的工作電壓為-50V～50V，即，鋸齒波調(diào)制信號的電壓為-50V～50V。根據(jù)理論計算，當甲烷吸收線間隔與F-P自由光譜區(qū)相等時，F(xiàn)-P腔長應(yīng)在0.5076mm附近，此時F-P的透射峰與甲烷的吸收峰位置相吻合；微調(diào)F-P的間距，使腔長變化Δd約為400nm，就可以使透射峰與吸收峰錯開。
準直透鏡、匯聚透鏡、聚焦透鏡可以是BaF2玻璃材料的，在紅外波段有很高的透過率。
本發(fā)明裝置中的信號發(fā)生器和鎖相放大器是通常公用的儀器，比如信號發(fā)生器可以使用“多功能函數(shù)信號發(fā)生器”，型號為SG1640B；鎖相放大器可以使用SR830 DSP型號的，它們均由北京東方科泰公司經(jīng)銷。
本發(fā)明只使用一個寬帶光源，即降低了探測儀器的造價，又方便光路的準直。關(guān)鍵的選頻器件F-P標準具選用BaF2玻璃，相對的兩個內(nèi)面鍍反射率為90％高反射膜形成諧振腔；外面的兩個面鍍窄帶通的濾光膜；通過改變加在壓電陶瓷管上邊的電壓實現(xiàn)微調(diào)F-P腔長的目的，這樣的設(shè)計可以大大提高探測的靈敏度，實現(xiàn)低濃度測量。由于在F-P標準具兩端使用了匯聚透鏡和聚焦透鏡，它們可以提高探測器接受信號的強度。該設(shè)計的原理是可以同時對多根甲烷的吸收線進行差分測量，這優(yōu)于傳統(tǒng)的單個吸收線的差分測量，將會大大提高系統(tǒng)的探測能力，并可對甲烷進行遠距離即時探測。


圖1是背景技術(shù)的測量系統(tǒng)圖。
圖2是甲烷2υ3帶R支的吸收強度曲線。
圖3是本發(fā)明的F-P標準具的透過率曲線與甲烷吸收線重合圖。
圖4是本發(fā)明的F-P標準具的透過率曲線與甲烷吸收線錯開圖。
圖5是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖具體說明本發(fā)明的方法和裝置結(jié)構(gòu)。
實施例1說明差分原理當F-P的腔長恰好使LED的透射光與甲烷的吸收線重合，此時探測器接收到的光強是最低的，并且包含了甲烷濃度的信息；調(diào)節(jié)F-P腔長，使LED的透射光與甲烷的吸收線錯開，這時探測器接收到最大光強；通過兩次測量的光強，根據(jù)理論推導的公式，就可以計算出甲烷的濃度。
實施例2具體說明檢測裝置本發(fā)明的甲烷濃度的檢測裝置由圖3所示。圖3中，1是光源，發(fā)光光譜在1400nm～1800nm的范圍；7是光電二極管，可以是InGaAs光電二極管，作為接收光信號，并將光信號轉(zhuǎn)為相應(yīng)的電信號的元件；8是鎖相放大器，和光電二極管7一起構(gòu)成探測系統(tǒng)；11是準直透鏡，將光源1發(fā)出的光變成平行光，以通過被檢測氣體；12是被檢測氣體；13是匯聚透鏡，增大帶有甲烷信息的光信號的收集面積；14是法布里—珀羅標準具；15是聚焦透鏡；16是信號發(fā)生器，最好使用多功能函數(shù)信號發(fā)生器，產(chǎn)生的鋸齒波信號為法布里—珀羅標準具14的壓電陶瓷管提供調(diào)制信號，又為鎖相放大器8提供參考信號；17是計算機。
實施例3 檢測甲烷的具體流程和實例使用本發(fā)明裝置的具體流程為首先調(diào)節(jié)F-P標準具，使其腔長為0.507mm；由信號發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波信號，加在壓電陶瓷管上，調(diào)節(jié)F-P腔長。當腔長的距離使F-P透射峰與甲烷的吸收峰位置完全吻合時，光電二極管7探測到光強的最小值Imin；當改變腔長距離使透射峰與甲烷的吸收峰錯開時，光電二極管7探測到光強的最大值Imax，然后帶入理論推導的公式中，即可得到甲烷的濃度。為了提高系統(tǒng)的信噪比，可以使用鎖相放大器來進行探測，并利用其所帶的RS232輸出端口與計算機相連，從而實現(xiàn)即時探測的目的。
按上述的具體流程，測得d1為0.05076cm，d2為0.05079～0.05081cm不等；被探測甲烷氣體所在區(qū)域的長度L為30cm；測得的Imin、Imax數(shù)據(jù)帶入公式，由計算機運算得到甲烷濃度的計算值。表1列出對同一甲烷樣品多次測量得到的一組結(jié)果。
表1

其中實際值為U形管測得的甲烷壓強與充入空氣的混合氣體壓強的比值。
權(quán)利要求
1.一種甲烷濃度的檢測方法，其特征是，使用發(fā)光光譜在1400nm～1800nm范圍內(nèi)的光源，選擇兩端內(nèi)表面反射率為Rm的諧振腔；光源發(fā)出的光透過被檢測的氣體和諧振腔后被檢測；調(diào)節(jié)諧振腔腔長，使諧振腔透射峰與甲烷的吸收峰位置完全吻合，此時諧振腔腔長為d1，探測到光強的最小值Imin；改變諧振腔腔長，使諧振腔透射峰與甲烷的吸收峰錯開，此時諧振腔腔長為d2，探測到光強的最大值Imax；最后由下列的公式計算得到甲烷的濃度，C=(1-IminImax)×1-Rm1+RmΣiKi/[1+F×Sin2(2πv1d1)]-IminImax×ΣiKi/[1+F×Sin2(2πv1d2)],]]>公式中F＝4Rm/(1-Rm)2，υi為甲烷2υ3R支各吸收峰對應(yīng)的波數(shù)，Ki＝2*Si*L，其中Si為各波數(shù)對應(yīng)的吸收強度，L為被探測甲烷氣體所在區(qū)域的長度。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種甲烷濃度的檢測方法，其特征是，所說的調(diào)節(jié)諧振腔腔長，是在諧振腔的一端裝有壓電陶瓷管，用鋸齒波電信號加在壓電陶瓷管上。
3.一種甲烷濃度的檢測裝置，由光源(1)、準直透鏡(11)、探測系統(tǒng)構(gòu)成，所說的探測系統(tǒng)由光電二極管(7)和鎖相放大器(8)組成；其特征是，所說的光源(1)是紅外寬帶光源，發(fā)光光譜在1400nm～1800nm的范圍；按光路順序，光源(1)發(fā)出的光經(jīng)準直透鏡(11)變?yōu)槠叫泄猓唤?jīng)過探測氣體(12)后通過匯聚透鏡(13)，進入法布里—珀羅標準具(14)；再通過聚焦透鏡(15)后，被探測系統(tǒng)接收；最后是進行數(shù)據(jù)處理并輸出結(jié)果的計算機(17)；所說的法布里—珀羅標準具(14)結(jié)構(gòu)為兩片BaF2玻璃，相對的兩個面鍍反射率大于或等于85％的高反射膜，形成諧振腔；一片鏡片直接固定在光具座上，另一片鏡片與壓電陶瓷管固定裝在光具座上；信號發(fā)生器(16)與壓電陶瓷管電聯(lián)接提供調(diào)制信號，信號發(fā)生器(16)與鎖相放大器(8)電聯(lián)接提供參考信號。
4.按照權(quán)利要求3所述的一種甲烷濃度的檢測裝置，其特征是，所說的信號發(fā)生器(16)是多功能函數(shù)信號發(fā)生器，為法布里—珀羅標準具(14)的壓電陶瓷管提供鋸齒波調(diào)制信號。
5.按照權(quán)利要求3或4所述的一種甲烷濃度的檢測裝置，其特征是，所說的法布里—珀羅標準具(14)，初始腔長為0.505mm～0.510mm，外側(cè)的兩個面鍍窄帶通的濾光膜，使1635nm～1655nm波段的光通過，其它光被濾掉；法布里—珀羅標準具(14)的壓電陶瓷管長度為1.5cm～2.5cm，為壓電陶瓷管提供鋸齒波調(diào)制信號的電壓為-50V～50V。
全文摘要
本發(fā)明的一種甲烷濃度的檢測方法和裝置屬氣體檢測領(lǐng)域。檢測方法是使用一定發(fā)光范圍的光源，選擇兩端內(nèi)表面高反射率的諧振腔；光源發(fā)出的光透過被檢測的氣體和諧振腔后被檢測；調(diào)節(jié)諧振腔腔長，分別探測到光強的最小值I
文檔編號G01N21/31GK1715876SQ200510016949
公開日2006年1月4日 申請日期2005年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月12日
發(fā)明者高錦岳, 姜云, 康智慧, 曲藝, 孫曉峰 申請人:吉林大學