甲烷气体浓度检测 光纤传感器

甲烷气体浓度ห้องสมุดไป่ตู้测光纤传感器
设计初衷
• 工程测试过程中，及时准确地对易燃，易 爆，有毒，有害气体进行检测预报和自动 控制已成为当前煤炭，石油，化工，电力 等部门亟待解决的重要问题之一。同时随 着人们生活水平的提高，人类对生态环境 净化的要求也越来越高，迫切要求监测监 控易燃，易爆有毒有害气体，减少环境污 染，确保身心健康。
• 滤光片切盘装置上布有2个滤光片F1和F2，中心波长 分别对应于λ1 , λ2 。测量时由单片机控制步进电机， 实现波长为λ1 , λ2 的2束光分时与气体分子相互作用， 先后会聚照射在光电二极管PIN上，使之转换为电信 号，经锁相放大后转换成电压信号 U λ ,U λ • 经计算机储存计算后可得到气体的浓度信息C。开始 检测时，使气室中被测气体的浓度为0（用清洁气体 即零点气体吹扫），调整光路中可调的消光器使两 束光光强相等 .
1 I (λ2 ) − I (λ1 ) C= [α (λ1 ) − α (λ2 )]L I (λ2 )
在波长下，若气体的吸收系数可以测量， 则气体浓度就可以从和的测量中求出，从 式中可以看出差分技术不仅从理论上完全 消除了光路的干扰因素，而且还消除了光 源输出光功率不稳定的影 响。
时间双光路差分吸收系统框图
甲烷（CH4）是矿井、工业领域和城市 煤气中的爆炸的主要成分。当空气中甲烷的 含量达到25％~30％时，人会头痛、头晕、 乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速，若 不及时远离，可致窒息死亡。 因此对周围环境CH4 气体进行早期安全 CH4 监测是十分必要的。
实现方法：差分吸收检测方法
气体浓度可表示为
1 2
• 为了实现时间双光路差分吸收检测，波长为 λ1 , λ2 的两束光交替透过气室，为此设计了一滤光片盘， λ 盘上布有2片滤光片，中心波长分别对应于 在滤1 , λ2 光片2上还设计了以狭缝调节装置，调节光路强度。 为了防止滤波片编号发生错位，在盘上开一个位 置判断口，作为光电开关的光通道。滤波片的切 换采用三相反应时步进电机驱动，由单片机高速 输出口发出三相脉冲，驱动步进电机转动，实现 滤光片的交替转换，并由单片机记录处理相应的 检测结果，实现时间双光路差分吸收检测。
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系统当中的参数
• 测量气室长为400mm，内径为15mm，有 进气口和出气口。进气口通过针阀控制注 入气室的气体流量。干涉滤光片的中心波 长分别为1330nm和1270nm，半宽度为 10nm，透过率为65%。滤光片，透镜和气 室两端结合时，要保持在同一光轴上。
消除干扰气体的方法
• 根据气体分子的吸收谱线，这三种气体在 1300nm附近也有吸收线，10nm带宽滤光 片无法消除其影响，为此在进气口处接一 辅助干燥室，内壁的不同位置出涂有3层薄 膜，用以消除这3种气体的交叉灵敏度。应 用这一时间差分系统对甲烷气体的浓度进 行测量 。