吸收型光纤气体传感器气室设计概况.pdf

吸收型光纤气体传感器气室设计概况 武婧 (西安石油大学光电油气测井与检测教育部实验室，陕西西安710065) 摘要：吸收气室是吸收型光纤气体传感器的敏感元件，其结构和性能直接影响到光纤气体传感器的体积和检测灵敏 度，是光纤气体传感器的核心组件。文章分析了国内外吸收型光纤气体传感器主要应用的吸收气室的设计方案和工 作原理，介绍了几种新型吸收气室的结构和特点。 关键词：光纤气体传感器；吸收气室；单光路气室；多光路气室 中图分类号：TP21 文献标识码：A 文章编号：1009-2374(2009)11-0018-02 光纤气体传感器是20世纪80年代后期出现的一种新型 气体传感器。由于光纤气体传感器具有传输功率损耗小，传输 信息量大，抗电磁干扰能力强，耐高温、高压、腐蚀，绝缘，阻燃 防爆等优点，在环境监测、过程控制，尤其是在恶劣环境下的 在线、连续监测方面发挥着重要作用，有着传统传感器不可比 图1常规透射型气室结构 拟的优势。 常规的透射式吸收气室由于存在光纤和分立光学元件的 基于光谱吸收原理的光纤气体传感器具有测量灵敏度 耦合问题，准直复杂，温度稳定性和抗震性能差。利用自聚焦 高、气体鉴别能力强、响应快等特点，对温度、湿度等环境干扰 透镜代替传统的透镜组将会较好解决上述问题。图2所示为 的抵抗能力强，是目前最有前途的一种光纤气体传感器。光纤 带尾纤的自聚焦透镜构成的透射型气室，来自输入光纤的光 气体传感器的传感部件为吸收气室，其设计直接关系到整个 从左边的自聚焦透镜左端面输入时，经过透镜准直变为平行 光纤气体传感器的体积和检测灵敏度。 光线，平行光经过气室从右边的自聚焦透镜左端面输入，经过 应用于吸收型光纤气体传感器的气室根据光柬在气室中 透镜后光线汇聚在其右端面上，并耦合进入输出光纤。这样， 的传播路径大致可以分为两类：一类是单光路气室，一类是多 发散的反射光不能够返回原光路，消除了部分相干噪声，提高 光路气室。 了测试灵敏度。 一、吸收气室工作原理 (．n ／1…， ～已S习 (n 如果光源光谱覆盖一个或多个气体的吸收线，则光通过 ≥入光!f 斗…．∑……．幽 输出光纤 待测气体时就会发生衰减，输入光强厶，输出光强，o和气体的 口墩挑嬉说 f{聚媳透镜 浓度C之间满足比尔一朗伯定理，即： 图2带尾纤的自聚焦透镜构成的气室结构 L=‘exp(-aLC)(1) (二)多光路吸收气室 式中，d为摩尔分子吸收系数；c为气体浓度；L为光和气 多光路气室又称反射式气室，一般由两块或多块平面或 体的作用长度(传感长度)。上式也可以改写为： 凹面反射镜组成，利用反射镜使光路在气室中经过多次反射。 —7(2) 从而达到增加有效传感长度的目的。 、^7 c一上aL以(争 如图3是一种常规的反射型吸收气室，其原理与常规的 若已知d和L，通过检测^和，o便可得到待测气体的浓 度。由上式可知，光束与气体的作用长度是决定光纤气体传感 透射型吸收气室原理相似，不同的是吸收气室由一个聚焦透 器的灵敏度的一个重要因素，传感长度越长灵敏度越高，因此 镜和—个平面反射镜组成，平行光被平面反射镜反射经聚焦 在设计中应尽量增加传感长度，同时考虑减小体积。 透镜返回输入光纤，利用光纤定向耦合器从输入光纤中提取