一种甲烷浓度的检测方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术的一种甲烷浓度的检测方法和装置属气体检测领域。检测方法是使用一定发光范围的光源，选择两端内表面高反射率的谐振腔；光源发出的光透过被检测的气体和谐振腔后被检测；调节谐振腔腔长，分别探测到光强的最小值Ｉ↓［ｍｉｎ］和最大值Ｉ↓［ｍａｘ］；代入公式计算甲烷浓度。装置有：ＬＥＤ光源１发出的光经准直透镜１１、探测气体１２、汇聚透镜１３，进入法布里－珀罗标准具１４，被探测系统接收；１７是计算机。信号发生器１６产生的锯齿波信号为法布里－珀罗标准具１４的压电陶瓷管提供调制信号，又为锁相放大器８提供参考信号。本发明专利技术造价低、方便光路准直、灵敏度高、优于传统的单吸收线的差分测量，便于低浓度远距离即时测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于气体检测领域。特别涉及一种用红外发光二极管(LED)作光源、法布里-珀罗标准具(以下简称F-P)标准具选频、利用差分原理进行甲烷探测的方法和器件。
技术介绍
甲烷是一种可燃气体，是继煤炭、石油后又一重要天然燃料。但由于甲烷在空气含量超过5.3％，遇火就会发生爆炸，所以又是一种易爆气体，煤矿瓦斯爆炸给国家经济和人民安全带来重大的损失。同时甲烷在大气中含量增加，还会产生温室效应，这也是环境保护的重要课题。与本专利技术相近的现有技术是一篇题目为“差分吸收式光纤甲烷气体传感器的研究”文章，刊登于《光电子·激光》第12卷第7期2001年7月。文章根据甲烷气体的吸收光谱，研究了用LED作光源的差分吸收式光纤甲烷气体传感器。检测方法是使用两个LED光源，其中主光源光波长λ1＝1.33μm，另一个参考光源波长λ2＝1.27μm；甲烷气体浓度为C=1α(λ1)-α(λ2)×I(λ2)-I(λ1)I(λ2)]]>在波长λ1、λ2下，若气体的吸收系数α1、α2可以测量，则气体浓度就可以从I(λ2)-I(λ1)和I(λ2)的测量中求出。现有技术的差分吸收式光纤甲烷气体传感器系统如图1所示。F1、F2分别为中心波长λ1、λ2的干涉滤光片，两个LED光源1和2由多谐振荡器3驱动，A为可变消光片。LED发出的光分别经干涉滤光片F1、F2后，再经耦合器4与传输光纤5进入探测气室6，透射光由光电二极管7转换为电信号。差分信号I(λ2)-I(λ1)由锁相放大器8检测给出。图1中，9为显示器，10为单片机。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，设计了一种以光强为测量量的差分方法和具体的计算公式，快速准确安全的探测甲烷浓度。使本专利技术的方法和装置在能源开采，环境保护等方面发挥重要作用。甲烷的2ν3振转吸收带位于1650nm附近(它们的光谱数据由专业数据库HITRAN2000得到)，恰好处在大气透明窗口内，这使直接远距离探测甲烷浓度成为可能。本专利技术的甲烷浓度的检测方法是，使用发光光谱在1400nm～1800nm的范围内的光源，选择两端内表面反射率为Rm，腔长为d的谐振腔；光源发出的光透过被检测的气体和谐振腔后被探测器接收；调节谐振腔腔长，使谐振腔透射峰与甲烷的吸收峰位置完全吻合，此时谐振腔腔长为d1，探测到光强的最小值Imin；再调节谐振腔腔长，使谐振腔透射峰与甲烷的吸收峰错开，此时谐振腔腔长为d2，探测到光强的最大值Imax；最后由下列的公式计算得到甲烷的浓度，C=(1-IminImax)×1-Rm1+RmΣiKi/-IminImax×ΣiKi/]]>公式中F＝4Rm/(1-Rm)2，υi为甲烷2υ3带R支各吸收峰对应的波数，Ki＝2*Si*L，其中Si为各波数对应的吸收强度，υi和Si见图2，L为被探测甲烷气体所在区域的长度。所说的调节谐振腔腔长，可以是在谐振腔的一端装有压电陶瓷管，用锯齿波电信号加在压电陶瓷管上。按照上述的甲烷浓度的检测方法，本专利技术主要是利用F-P对宽带光源进行滤光。当我们选择了合适的F-P腔长时，就会使透射光与甲烷的吸收峰相吻合，但当我们微调F-P腔的距离时，透射光又会与吸收峰分开。这样就可以利用差分方法来计算甲烷的浓度了。本专利技术的装置系统中所采用的光源LED中心波长为1650nm，发光光谱在1400nm～1800nm的范围内，对应的半宽度为150nm。如果让LED发出的光经过甲烷气体的吸收后，直接由光电二极管(PD)探测接收，那么PD能探测到的信号变化是非常小的，因为甲烷在2ν3带的半宽度只有十几个纳米，相对于LED150nm的半宽度来说是很小的。为了提高测量精度，我们主要采用了两种方法。一是在光路中加滤光片，缩小光谱范围，使LED的光谱宽度与甲烷吸收带的宽度大致相等，将没有用于吸收的光滤掉。二是利用F-P标准具。我们知道，F-P具有滤光作用，其光谱透过率τ可用公式τ=11+F×Sin2(2πndυ)]]>表达，F＝4Rm/(1-Rm)2，Rm是F-P镜片内表面的反射率，Rm可选择85％～95％，n是空气的折射率，d是腔长，υ是波数。通过选择合适的反射率和腔长，可以使F-P的透过峰与甲烷的吸收线较好匹配在一起。本专利技术的检测甲烷浓度的装置具体结构是，使用LED发出的红外宽带光作为光源，发光光谱在1400nm～1800nm的范围，按光路顺序，光源发出的光经准直透镜变为平行光；经过探测气体后通过汇聚透镜，进入法布里—珀罗标准具；再通过聚焦透镜后，被探测系统接收；最后是进行数据处理并输出结果的计算机。所说的探测系统由光电二极管和锁相放大器组成。所说的法布里—珀罗标准具结构为两片BaF2玻璃，相对的两个内表面镀反射率大于或等于85％的高反射膜，形成谐振腔；一片镜片直接固定在光具座上，另一片镜片与压电陶瓷管固定装在光具座上；信号发生器与压电陶瓷管电联接提供调制信号，信号发生器与锁相放大器电联接提供参考信号。前述的红外宽带光源工作波长范围可以是1635nm～1655nm，覆盖甲烷的2υ3吸收带。前述的信号发生器可以是多功能函数信号发生器，为法布里—珀罗标准具的压电陶瓷管提供锯齿波调制信号。法布里—珀罗标准具外侧的两个面镀窄带通的滤光膜，使1635nm～1655nm波段的光通过，其它光被滤掉。一个镜片直接固定在光具座上，另一片经压电陶瓷管连在光具座上，使初始腔长d为0.505mm～0.510mm。通过改变加在它上边的电压，就可以实现微调F-P腔长的目的，在压电陶瓷管长度为1.5cm～2.5cm时，信号发生器提供给压电陶瓷管的工作电压为-50V～50V，即，锯齿波调制信号的电压为-50V～50V。根据理论计算，当甲烷吸收线间隔与F-P自由光谱区相等时，F-P腔长应在0.5076mm附近，此时F-P的透射峰与甲烷的吸收峰位置相吻合；微调F-P的间距，使腔长变化Δd约为400nm，就可以使透射峰与吸收峰错开。准直透镜、汇聚透镜、聚焦透镜可以是BaF2玻璃材料的，在红外波段有很高的透过率。本专利技术装置中的信号发生器和锁相放大器是通常公用的仪器，比如信号发生器可以使用“多功能函数信号发生器”，型号为SG1640B；锁相放大器可以使用SR830 DSP型号的，它们均由北京东方科泰公司经销。本专利技术只使用一个宽带光源，即降低了探测仪器的造价，又方便光路的准直。关键的选频器件F-P标准具选用BaF2玻璃，相对的两个内面镀反射率为90％高反射膜形成谐振腔；外面的两个面镀窄带通的滤光膜；通过改变加在压电陶瓷管上边的电压实现微调F-P腔长的目的，这样的设计可以大大提高探测的灵敏度，实现低浓度测量。由于在F-P标准具两端使用了汇聚透镜和聚焦透镜，它们可以提高探测器接受信号的强度。该设计的原理是可以同时对多根甲烷的吸收线进行差分测量，这优于传统的单个吸收线的差分测量，将会大大提高系统的探测能力，并可对甲烷进行远本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种甲烷浓度的检测方法，其特征是，使用发光光谱在１４００ｎｍ～１８００ｎｍ范围内的光源，选择两端内表面反射率为Ｒ↓［ｍ］的谐振腔；光源发出的光透过被检测的气体和谐振腔后被检测；调节谐振腔腔长，使谐振腔透射峰与甲烷的吸收峰位置完全吻合，此时谐振腔腔长为ｄ↓［１］，探测到光强的最小值Ｉ↓［ｍｉｎ］；改变谐振腔腔长，使谐振腔透射峰与甲烷的吸收峰错开，此时谐振腔腔长为ｄ↓［２］，探测到光强的最大值Ｉ↓［ｍａｘ］；最后由下列的公式计算得到甲烷的浓度，＊＊＊公式中Ｆ＝４Ｒ↓［ｍ］／（１－Ｒ↓［ｍ］）↑［２］，υｉ为甲烷２υ↓［３］Ｒ支各吸收峰对应的波数，Ｋ↓［ｉ］＝２＊Ｓ↓［ｉ］＊Ｌ，其中Ｓ↓［ｉ］为各波数对应的吸收强度，Ｌ为被探测甲烷气体所在区域的长度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高锦岳，姜云，康智慧，曲艺，孙晓峰，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]