光程可調(diào)吸收氣室氣體傳感器研究

程　躍，羅曉樂，劉　磊，張　鵬，吳禮章，葉楊高（.中國電子科技集團(tuán)公司第八研究所，安徽合肥3005；.中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所光學(xué)工程中心，安徽合肥30000）

光程可調(diào)吸收氣室氣體傳感器研究

程躍1，羅曉樂2，劉磊1，張鵬1，吳禮章1，葉楊高1
（1.中國電子科技集團(tuán)公司第八研究所，安徽合肥230051；2.中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所光學(xué)工程中心，安徽合肥230000）

光程可調(diào)吸收氣室可滿足光纖氣體傳感器不同探測靈敏度和量程的需求。介紹了吸收氣室的基本結(jié)構(gòu)，并利用TracePro軟件對氣室進(jìn)行了光學(xué)仿真設(shè)計(jì)和分析，確定了多次反射池的光學(xué)參數(shù)。對氣室的結(jié)構(gòu)、防腐工藝、密封工藝及光程可調(diào)節(jié)進(jìn)行了研究。通過調(diào)試和實(shí)驗(yàn)測量，結(jié)果表明：氣室光程可在0.8～30 m范圍調(diào)節(jié)，完全可應(yīng)用于低濃度氣體（對應(yīng)長光程氣室）和高濃度氣體（對應(yīng)短光程氣室）的檢測。

光纖氣體傳感器；吸收氣室；可調(diào)光程；氣室光學(xué)仿真；TracePro

0　引言

相比傳統(tǒng)的電化學(xué)氣體傳感器［1，2］，光纖氣體傳感器作為本質(zhì)安全的傳感器，其具有精度高、選擇性好、可靠性高、不中毒、受環(huán)境干擾因素較小、壽命長等顯著優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍更加廣泛，尤其在煤礦采空區(qū)、化工廠、油田和可燃?xì)怏w儲存罐等環(huán)境。由于污染環(huán)境的不同，如大氣環(huán)境中氣體濃度較低和工業(yè)排放污染氣體濃度較高等特點(diǎn)，對光纖氣體濃度傳感器提出了更高的要求，要求傳感器靈敏度高，可應(yīng)用于低濃度氣體探測，同時(shí)，又要求傳感器的量程可調(diào)節(jié)，適用于不同環(huán)境氣體的探測，這就要求吸收氣室實(shí)現(xiàn)長光程吸收且吸收光程可根據(jù)不同量程的需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)現(xiàn)長光程吸收通常采用光學(xué)多次反射池的方法，常用的多次反射池主要有Herriott型和White型。Herriott型多次反射池由兩塊反射鏡組成，其光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但對光源的準(zhǔn)直性要求較高，難以實(shí)現(xiàn)大發(fā)散角光束的多次反射［3］。基于White型結(jié)構(gòu)的光學(xué)氣體吸收氣室具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，適用于大發(fā)散角光束光源及光程可調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，其光程長度可達(dá)數(shù)米甚至上百米，是目前比較常用的氣體傳感器［4］。目前，吸收氣室的研究大多關(guān)注了增加吸收光程方面［5～6］，對氣室的光程可調(diào)節(jié)研究不多，不能滿足不同探測靈敏度和量程的要求。

本文基于White型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研制了一種氣體吸收氣室，對氣室的小型化、長光程、光程可調(diào)節(jié)及防腐和密封工藝進(jìn)行了研究，氣室光程可在0.8～30 m范圍可調(diào)，適用于氣體濃度在10-9量級的大氣環(huán)境檢測和10-6量級的工業(yè)排放氣體監(jiān)測等領(lǐng)域。

1　吸收氣室設(shè)計(jì)

1.1氣室多次反射池的基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示，吸收氣室多次反射池由3塊曲率半徑相同的凹面反射鏡A、A＇和B構(gòu)成，其中，反射鏡A和A＇并排放置在氣室的一側(cè)，第三塊反射鏡B放在另一側(cè)。它們近共焦放置，A和A＇的曲率中心F和F'落在反射鏡B上，B的曲率中心落在反射鏡A和A＇的中間。光線從Source點(diǎn)的小孔入射，經(jīng)過A的反射，在反射鏡B上形成光斑，由于B的曲率中心落在A與A＇的中間位置，因此，光斑經(jīng)B反射后，落在反射鏡A＇上，光線經(jīng)過A＇反射后從氣室出射孔出射進(jìn)入探測器。光束入射光窗中心距B中心線距離為a，A和A＇的曲率中心F和F'在B上距其中心線距離為d，則光束在反射鏡B上形成的光斑數(shù)N為

因此，光束在氣室中單次反射次數(shù)n為

所以，氣室吸收光程s為

式中N為反射鏡B上光斑的個(gè)數(shù)，L為氣室的基長。

從式（1）可知，a是固定不變的，只要改變d的值，即改變A和A＇的曲率中心F和F'在B上的相對距離就可改變B上形成的光斑數(shù)N，再通過式（3）可知，氣室基長L固定不變，只要改變光斑數(shù)N，就可改變氣室吸收光程s，從而實(shí)現(xiàn)吸收光程可調(diào)節(jié)。

圖1　氣室多次反射池示意圖Fig 1　Schematic diagram of multiple-reflect pool of gas cell

1.2氣室多次反射池的光學(xué)仿真設(shè)計(jì)

采用TracePro軟件對多次反射池進(jìn)行光學(xué)仿真設(shè)計(jì)，TracePro是一種普遍用于光線追跡、輻射度分析及光度分析的光學(xué)仿真軟件。首先，在軟件中建立多次反射池光學(xué)系統(tǒng)的幾何模型：三塊反射鏡B（100mm×60mm×15mm），A（40 mm×10 mm），A＇（40 mm×10 mm）的曲率半徑均為400 mm，B，A（A＇）近共焦放置，對應(yīng)多次反射池的基長為0.4 m，A，A＇中心間距為67 mm。三塊反射鏡凹反射面的反射率均設(shè)定為97%，光吸收率為3%，光透過率為0。光源孔徑設(shè)定為3 mm，光源形式選擇光通量方式，光通量設(shè)定為3 W，追跡總光線為100條。如圖2所示是TracePro軟件對氣室多次反射池的光學(xué)仿真結(jié)果，通過調(diào)節(jié)A（A＇）曲率中心在B上的位置，在多次反射池內(nèi)形成了光束的多次反射。圖3是對反射鏡B上形成的光斑分布進(jìn)行光能分析的結(jié)果，在鏡面上形成了2行12列的矩形光斑分布，相當(dāng)于光線在腔內(nèi)形成24次的來回反射，其對應(yīng)的吸收光程為s=2×（23+1）×0.4 m=19.2 m。另外，通過對光斑尺寸大小的分析，發(fā)現(xiàn)隨反射次數(shù)的增加，光斑尺寸并沒有變大，表明該反射池對光路系統(tǒng)具有較好的聚焦能力，對增加發(fā)散角較大光束的吸收光程是一個(gè)很好的選擇，如增加LED光源系統(tǒng)和氙燈光源系統(tǒng)的吸收光程等。

圖2　氣室多次反射池光學(xué)仿真Fig 2　Optical simulation of multiple-reflect pool of gas cell

圖3　反射鏡B上形成的光斑分布Fig 3　Light spot distribution of mirror B

1.3吸收氣室整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吸收氣室如圖4所示，包括：氣室底座、氣室端板、氣室腔體和多次反射鏡。多次反射鏡包括一塊方形凹面鏡B和兩塊圓形凹面鏡A（A＇），B，A（A＇）焦距相同且近共焦放置，位于吸收氣室腔體內(nèi)部用于形成光束多次反射。吸收氣室端板用于固定和密封吸收氣室腔體，端板上有進(jìn)氣口、出氣口、光窗和反射鏡調(diào)節(jié)螺桿。通過反射鏡調(diào)節(jié)螺桿可對反射鏡進(jìn)行兩維方向調(diào)節(jié)，進(jìn)而達(dá)到吸收光程可調(diào)節(jié)目的。氣室底座和端板均由鋁材料制成，且表面進(jìn)行發(fā)黑處理，耐腐蝕性好。吸收氣室腔體由石英材料制成，其耐腐性好且對氣體的吸附性較小。多次反射鏡由石英材料制成，其反射面鍍鋁膜，在鋁膜外另鍍了一層SiO2保護(hù)膜，用于防止酸性或堿性等腐蝕性氣體對鋁膜的損壞。氣室腔體與兩端板的密封方式采用O型圈進(jìn)行密封，O型圈采用耐腐蝕材料，如全氟醚橡膠，其耐腐蝕介質(zhì)包括強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、醚類等多種化學(xué)介質(zhì)。反射鏡A（A＇）的兩維調(diào)節(jié)螺桿采用內(nèi)嵌方式，調(diào)節(jié)完吸收光程后，采用帶有全氟醚橡膠O型圈的密封壓板進(jìn)行密封。

圖4　吸收氣室整體結(jié)構(gòu)圖Fig 4　Overall structure diagram of absorption gas cell

2　吸收氣室調(diào)試與結(jié)果

2.1氣室光程調(diào)節(jié)原理

通過調(diào)節(jié)反射鏡A，A＇曲率中心F，F(xiàn)'在B上的相對位置，可以改變光束在3個(gè)反射鏡之間來回反射的次數(shù)，從而達(dá)到光程可調(diào)節(jié)的目的。圖5是氣室反射鏡A（A＇）調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)支撐點(diǎn)的示意圖，該機(jī)構(gòu)采用3點(diǎn)支撐，其中1個(gè)為固定點(diǎn)，2個(gè)為調(diào)節(jié)螺桿的支撐點(diǎn)。通過調(diào)節(jié)螺桿1的推拉可調(diào)節(jié)支撐點(diǎn)1在z方向的運(yùn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)A（A＇）曲率中心在y方向的運(yùn)動；通過調(diào)節(jié)螺桿2的推拉可調(diào)節(jié)支撐點(diǎn)2 在z方向的運(yùn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)A（A＇）曲率中心在x方向的運(yùn)動。因此，通過調(diào)節(jié)螺桿1和2對A（A＇）進(jìn)行調(diào)節(jié)，便可實(shí)現(xiàn)A（A＇）的曲率中心F，F(xiàn)'在B二維方向（x方向和y方向）的調(diào)節(jié)，進(jìn)而改變F和F'在B上的相對距離，實(shí)現(xiàn)氣室吸收光程可調(diào)節(jié)。

圖5　反射鏡A（A'）調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)支撐點(diǎn)示意圖Fig 5　Schematic diagram of supporting point of mirror A（A'）adjusting mechanism

2.2氣室調(diào)試結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

氣室吸收光程調(diào)節(jié)用的光源采用532 nm固體激光器（GL—10—F型532 nm空間光路激光器，上海熙隆光電科技有限公司），首先調(diào)節(jié)激光光源使入射光斑從氣室入射窗中心進(jìn)入到氣室內(nèi)，并使光斑打到反射鏡A的中心，通過反射鏡A的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)A的曲率中心在B上的位置，使光斑經(jīng)過反射鏡B反射到的A＇中心，再調(diào)節(jié)反射鏡A＇的曲率中心在B上的位置，可以使光斑在氣室內(nèi)形成來回多次反射，最后光斑從出射窗出射。圖6是吸收光程為19.2 m的調(diào)節(jié)結(jié)果，該調(diào)節(jié)結(jié)果與氣室光學(xué)仿真設(shè)計(jì)的結(jié)果（圖2）相一致。通過調(diào)節(jié)反射鏡A（A＇）的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可使氣室吸收光程在0.8～30 m范圍調(diào)節(jié)。

圖6　氣室吸收光程為19.2 m的調(diào)試結(jié)果Fig 6　Debugging result of absorption cell with 19.2 m optical path

采用標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體配氣系統(tǒng)和差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)對吸收氣室氣體傳感器進(jìn)行系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中，同時(shí)采用商業(yè)化的NO2氣體分析儀（Thermo 42i，TEI，USA）進(jìn)行比對測量，測量結(jié)果如表1所示，4次測量的相對誤差分別為-1.5%，4.5%，2.5%，2.3%，均在±5%范圍之內(nèi)。通過比對實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)了吸收氣室氣體傳感器具有誤差允許范圍內(nèi)的一致性，驗(yàn)證了傳感器測量的準(zhǔn)確性和可靠性。

表1　吸收氣室氣體傳感器實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)Tab 1　Experimental verification data of absorption gas cell gas sensor

3　結(jié)論

吸收氣室作為吸收式光纖氣體濃度傳感器的傳感元件，是整個(gè)傳感器的關(guān)鍵器件，決定了傳感器的探測靈敏度、量程及穩(wěn)定性等指標(biāo)。此外，由于和待測氣體直接接觸，因此，對氣室的防腐和密封也提出了嚴(yán)格要求。本文對吸收氣室的基本結(jié)構(gòu)、光學(xué)仿真設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及防腐和密封工藝進(jìn)行了研究。對氣室的光程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)介紹。通過對氣室的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)測量，結(jié)果表明：氣室光程可在0.8～30 m范圍調(diào)節(jié)，完全可應(yīng)用于低濃度氣體（對應(yīng)長光程氣室）和高濃度氣體（對應(yīng)短光程氣室）的檢測。

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向?yàn)楣饫w氣體傳感技術(shù)。

Study of absorption cell gas sensor with adjustable optical path

CHENG Yue1，LUO Xiao-le2，LIU Lei1，ZHANG Peng1，WU Li-zhang1，YE Yang-gao1
（1.No.8 Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation，Hefei，230051，China；2.Optical Engineering Department，Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230000，China）

A gas absorption cell with an adjustable optical path can meet the requirements of an optical fiber gas sensor with the different detection sensitivity and range.Basic structure of the gas absorption cell is introduced. Optical parameters of the gas absorption cell are identified through the optical simulation and analysis of the gas absorption cell using TracePro.Structure，anticorrosion process，sealing process and adjustable optical path of the gas absorption cell are studied.Experimental results demonstrate that light range of cell optical path can be modulated at 0.8～30 m and the cell can be fully applied in detection of the low concentration gas and high concentration gas.

optical fiber gas sensor；gas absorption cell；adjustable optical path；gas cell optical simulation；TracePro

TN253

A

1000—9787（2016）06—0056—03

10.13873/J.1000—9787（2016）06—0056—03

2015—09—02

程躍（1984-），男，安徽宿州人，博士，工程師，主要研究方