第30卷，第5期 2010年5月
光谱学与光谱分
析
Spectroscopy and Spectral Analysis
基于棱镜气室的光纤甲烷传感系统的研究
吴希军"，王玉田"，刘学才1，李树军2
1.燕山大学测试计量技术及仪器河北省重点实验室，河北秦皇岛
066004
2、石家庄水文水资源勘测局，河北石家庄050018
Vol. 30,No. 5, pp1434-1438
May,2010
摘要综合运用校镜气室与谐波检测技术，构建了适用于宽广浓度范围内的光纤甲烷检测系统。以大气环境为背景，基于比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律在气体弱吸收时的近似表述，利用背景扣除和比值处理技术，实现了常压下甲烷不同浓度水平(0～20%)的检测。利用变折射率透镜(GRIN)气室测量了甲烷在不同浓度时的亢接吸收谱，结合现有DFB-LD光源选择甲烷2带的R5支（1648.212nm)作为被测吸收峰。在不同浓度气体配置过程中，进行了系统的在线实验，结果表明系统示值与浓度变化间线性良好，而且系统的稳定性和动态响应特性比较理想。该系统可根据不同现场环境的甲烷浓度水平，选择适当强度的吸收线，通过步进电机调节镜中线间的距离，进而改变气室内有效吸收光程，拓展了仅器的应用领域，可作为煤矿巷道或天然气管道沿线的瓦斯监测仪器。
关键词光纤传感；甲烷检测；校镜气室；谐波检测
中图分类号：0433.1：TP212
引言
文献标识码：A
甲烷是矿井瓦斯的主要成分，约占83%～89%。在我国，瓦斯事故占到煤矿事故的80%以上。当矿井中氧气浓度在12%以上，甲烷浓度在5%～15%范内，而且有明火存在时，就极易引起瓦斯爆炸，常规便携式瓦斯报警仪或瓦斯传感器多采用催化儿件实现气-电转换，这类传感器易受气镁条件（如温度、湿度、含氧量、二氧化碳含量.）及元器件固有缺陷如中毒现象、零点漂移)影响，造成其稳定性不好、测量准确度不高以及寿命短等缺点，光学瓦斯检定器在检测过程中是通过光干涉条纹的移动来读取读数的，易受气压、温度等环境因素的影响，常常会引进人为读数误差，面且其操作过程较为复杂，也限制了其在煤矿中的广泛应用()。结合长距离光纤传感与红外光谱吸收技术对瓦斯进行稳定、精确的测量成为目前国内外研究的发展趋势[>5]。由全反校镜构成的气室与GRIN气室相比，可显著提高气室工作稳定性和检测灵敏度，已被众多研究人员所采用=8，
本文使用DFB-LD光源，利用弱信号谱波探测及灵敏度可调的校镜气室实现模拟煤矿环境下的甲烷浓度检测。结合实测的直接吸收谱和HITRAN04数据库["]，选择甲烷2h 带R5支吸收峰作为监测波长，进行了系统的示值———浓度
收稿日期：2009-05-18，修订日期：2009-08-22
基金项目：国家自热科学基金项目（60672015)资助
DOI; 10. 3964/j. issn. 1000-0593(2010)05-1434-05
变化关系实验、示值稳定性实验和动态响应特性实验，结果表明利用梭镜气室和谐波检测技术能够实现宽光浓度范国内
甲烷的高灵敏度检测。 1测量原理
1.1吸收谱分析及谐波检测
甲烷具有4个固有振动光谱吸收区，相应的波长分别是 3.312，3.433，6.522和7.658μm。甲烷在此波段虽具有较强吸收，但因工作于该波段的光源及探测器均需低温制冷，而且该波段不适于光纤传输，并不适合光纤传感。而甲烷的组合频带（十2）和泛频带（2）分别位于1.3和1.6m附近，处于石英光纤低衰减区，可利用现有成熟的光纤通讯器件，成为光纤传感普遍选用的理想波段()，甲烷在1.3和 1.6μm的吸收谐线如图1所示（HITRAN数据库）。图2为利用GRIN气室、SLD光源及光谱仪实验测得的甲申烷在1.6 μm波段直接吸收谱线。
Beer-Lambert定律可表示为
I() = Io()exp(a,Lc)
(1)
式中，a为吸收系数（cm"1)，c为百分比浓度，L为气体吸收光程。
吸收率ac可表示为
作者简介：吴希军，1979年生，燕山大学测试计量技术及仪器河北省重点实验室讲师万方数据
e-mail;WUXijunysu,edu,cn