基于偏振干涉技術(shù)的SO2氣體檢測方法

李 勇

（合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230000）

六氟化硫（SF6）是一種工業(yè)領(lǐng)域中常用的合成氣體，其主要應(yīng)用于高壓、超高壓的電力設(shè)備中[1]。SO2也是工業(yè)社會(huì)中占有較大比重的污染排放氣體，隨著我國越來越重視生態(tài)環(huán)保，排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格。針對(duì)SO2排放情況大多采用定期檢測的方式，這種方式無法滿足現(xiàn)有生態(tài)環(huán)保制度下的新需求。因此，實(shí)現(xiàn)SO2的精準(zhǔn)在線檢測勢在必行[2]。

目前針對(duì)SO2氣體濃度的檢測技術(shù)方法大致可以分為3類，分別為紅外光譜法、氣相色譜法和電化學(xué)傳感器法[3]。其中，電化學(xué)傳感器法檢測的特點(diǎn)是靈敏度較高，檢測的響應(yīng)速度快，目前應(yīng)用較多；而紅外光譜法的響應(yīng)靈敏度較低，不適合實(shí)際的SO2濃度檢測；采用氣相色譜法的SO2濃度檢測一般檢測靈敏度較高、檢測穩(wěn)定性好，但是缺點(diǎn)也是十分明顯的，需要檢測的時(shí)間長，且分辨率較低，不適合大規(guī)模的帶電現(xiàn)場檢測[4]。光譜學(xué)理論是研究電磁輻射與物質(zhì)相互作用的科學(xué)，光譜學(xué)與物質(zhì)能量狀態(tài)、物質(zhì)分子的躍遷及躍遷的強(qiáng)度密切相關(guān)。通過研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)與分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以解釋光譜學(xué)規(guī)律；相反，通過光譜學(xué)的規(guī)律也可以揭示物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律。電磁輻射與物質(zhì)相互作用的過程不同，能量的傳遞方式也不同。根據(jù)原子或分子的特征吸收光譜來研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和測定物質(zhì)的化學(xué)成分的方法，稱為吸收光譜分析[5]。

采用吸收光譜技術(shù)對(duì)氣體成分進(jìn)行檢測和分析具有明顯的優(yōu)勢，目前也廣泛被用于氣體濃度的靈敏、在線、連續(xù)、快速和非接觸的監(jiān)測中。因此，本論文基于吸收光譜技術(shù)，為提高SO2的檢測精度，進(jìn)一步融合光纖衰蕩光譜技術(shù)，通過設(shè)計(jì)基于偏振光干涉、衰減振蕩的氣體傳感器，實(shí)現(xiàn)SO2濃度的準(zhǔn)確檢測。

1 基于光纖Sagnac干涉衰蕩腔的氣體傳感系統(tǒng)

1.1 基于光纖的Sagnac干涉計(jì)

基于HC-PCF光纖的Sagnac干涉計(jì)如圖1所示。a，b，c，d為耦合器的4個(gè)端口，其中a為光信號(hào)的輸入端口，b為光信號(hào)的輸出端口。光信號(hào)從端口a輸入后，經(jīng)過耦合器會(huì)被分為2束逆向傳播的光波，分別從端口c和端口d輸出。如圖1，從端口c輸出的光傳輸方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，從端口d輸出的光傳輸方向?yàn)轫槙r(shí)針方向；同時(shí)，端口c的光束經(jīng)保偏HC-PCF光纖傳輸?shù)蕉丝赿，端口d的光束經(jīng)保偏HC-PCF光纖傳輸?shù)蕉丝赾。2束逆向光經(jīng)過耦合器進(jìn)行耦合后從端口b輸出。端口c和端口d的2束光會(huì)產(chǎn)生相位差，但由于圖1中的Sagnac環(huán)形結(jié)構(gòu)具有互易性，并不會(huì)產(chǎn)生2束逆向光的相位差，因此2束逆向光的相位差僅僅產(chǎn)生于環(huán)形腔的保偏HC-PCF光纖結(jié)構(gòu)中。

圖1 Sagnac干涉計(jì)

如上所述，端口c和端口d的2束光為逆向光，當(dāng)這2束傳播路徑相反的光在耦合器中進(jìn)行耦合時(shí)會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，Sagnac干涉計(jì)的干涉譜如圖2所示。2束光干涉后的光強(qiáng)Isagnac可由下式表示

圖2 Sagnac干涉計(jì)的干涉譜

式中：B為偏振光纖的雙折射系數(shù)；L為偏振光纖的長度；λ為輸入光的波長。

基于上述的Sagnac干涉計(jì)，當(dāng)干涉譜發(fā)生移動(dòng)時(shí)，耦合器端口b的輸出光的強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生變化。

1.2 傳感系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于光纖Sagnac干涉衰蕩腔的氣體傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，中間部分為Sagnac環(huán)氣室，其主要由偏振空芯光子晶體光纖（HC-PCF）構(gòu)成，HCPCF上面的多個(gè)微型孔可以保證待測氣體進(jìn)入纖芯；HC-PCF的兩端與2個(gè)耦合器輸出端進(jìn)行連接，構(gòu)成了Sagnac干涉計(jì)；Sagnac干涉計(jì)位于光纖衰蕩腔內(nèi)，當(dāng)SO2在激光器泵浦光下產(chǎn)生溫度變化時(shí)，偏振HCPCF中的偏振系數(shù)也將發(fā)生改變，進(jìn)一步引起Sagnac干涉計(jì)的干涉譜平移，以及環(huán)形腔衰蕩時(shí)間的變化[6]，因此，通過測量環(huán)形腔衰蕩時(shí)間的變化即可實(shí)現(xiàn)SO2的檢測。

圖3 基于光纖Sagnac干涉衰蕩腔的氣體傳感體系結(jié)構(gòu)

1.3 光譜光熱技術(shù)

當(dāng)纖芯內(nèi)注入待檢測氣體，激光器的泵浦光通過光纖時(shí)，泵浦光在偏振HC-PCF的作用下會(huì)產(chǎn)生一系列的變化，如圖4所示。激光器泵浦光的波長與待檢測氣體的吸收峰具有重合性，當(dāng)泵浦光通過待檢測氣體時(shí)，待檢測氣體對(duì)激光器的泵浦光具有很強(qiáng)的吸收特征。由于待檢測氣體吸收了一部分的光子能量，相應(yīng)的引起待測氣體密度、溫度及折射率等物理特征發(fā)生變化，進(jìn)而光纖的徑向和橫向均受到應(yīng)力的作用。由于光纖橫向和徑向的應(yīng)力作用，偏振HC-PCF的快慢軸的折射率差就會(huì)發(fā)生變化。

圖4 光熱光譜效應(yīng)

設(shè)激光器泵浦光在光纖中傳輸z m距離后的光強(qiáng)度分布為

式中：Iq（z）為激光器泵浦光在傳輸z m后光纖中心點(diǎn)光的強(qiáng)度；Ppump（z）為激光器泵浦光的功率值；ω對(duì)應(yīng)光纖的模場半徑；r為到光中心點(diǎn)的距離。

待檢測氣體對(duì)泵浦光具有吸收性，導(dǎo)致光纖內(nèi)待檢測氣體的折射率發(fā)生變化。折射率的變化可以表示為

由光纖內(nèi)待測氣體的折射率發(fā)生變化，引起的光相位的變化表示為

式中：γ為定值；Ppump為光纖中的平均泵浦光功率；A為損耗系數(shù)。

1.4 氣體測量的靈敏度

設(shè)Ii為系統(tǒng)的入射光脈沖，I0為通過氣勢衰減后的光脈沖，則Ii與I0的關(guān)系可以表示為

式中：LS為整個(gè)氣室的長度；α為特定波長吸收系數(shù)。通過上式可知，I0只與待測氣體的濃度C有關(guān)。定義氣體測量的靈敏度為輸出光脈沖的變化量與待測氣體濃度變化量的比值。假設(shè)待測氣體的濃度C的變化量為ΔC，相應(yīng)的輸出光脈沖I0的變化量為ΔI0，可得

實(shí)際中，α和LS均小于1個(gè)單位，且當(dāng)ΔC較小時(shí)，αΔCLS≤1，則上式可以進(jìn)一步簡化為

因此，可得氣體測量的靈敏度γg為

由上式可知，γg值越大，則表示氣體測量的靈敏度越高。系統(tǒng)靈敏度可以看成入射光脈沖Ii、吸收系數(shù)α和氣室長度LS的函數(shù)。實(shí)際中，為實(shí)現(xiàn)更高精度的氣體濃度檢測，需要提高檢測的靈敏度，由上式可知，適當(dāng)提高入射光脈沖Ii的強(qiáng)度、增加氣室LS的長度可以提高檢測的靈敏度。

1.5 氣體測量的分辨率

氣體測量的分辨率即系統(tǒng)可以檢測的最小濃度的變化量[7]。測定分辨率的理論方法為，在氣室內(nèi)待測氣體量為0、輸出光脈沖強(qiáng)度為I0下，逐步增加氣室內(nèi)待測氣體的量，當(dāng)檢測到輸出光脈沖強(qiáng)度Ii發(fā)生變化時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的氣體濃度即系統(tǒng)氣體測量的最小分辨率。最小的氣體濃度變化量可以表示為

由于C趨于0，則上式可進(jìn)一步簡化為

由上式可知，ΔCmin越小，則表示系統(tǒng)的分辨率越高。分辨率可以看為輸出光脈沖變化量ΔI0、吸收系數(shù)α和氣室長度LS的函數(shù)。同理，為提高分辨率，可以提高入射光脈沖強(qiáng)度Ii和提高氣室LS的長度。需要注意的是，增加氣室LS的長度，則系統(tǒng)的體積將增大，這會(huì)給系統(tǒng)的封裝帶來新的挑戰(zhàn)。實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，當(dāng)進(jìn)行參數(shù)選擇時(shí)，一般為減小ΔI0/Ii的值，根據(jù)靈敏度和分辨率的實(shí)際需求及系統(tǒng)的體積要求，確定合理的LS值。

2 SO2濃度計(jì)算方法

通過圖1所示的系統(tǒng)可以對(duì)SO2氣體進(jìn)行檢測和分析?；诠庾V學(xué)理論可以計(jì)算SO2濃度，具體過程如下。

設(shè)光波長為λ，相應(yīng)的入射光強(qiáng)度和出射光強(qiáng)度分別為Ii（λ）、I0（λ），基于比爾-朗伯特（Beer-Lambert）定律[8]，可得

式中：σ為待測SO2氣體在波長λ處的吸收截面；N為SO2氣體分子數(shù)。

在檢測得到的吸收光譜上，隨機(jī)截取相近的2個(gè)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)波長λ1和λ2，基于上式，可得

式中：Ii（λ1）=Ii（λ2），α1=α2，且N可以由下式計(jì)算

由此可知，當(dāng)檢測到SO2的吸收光譜后，在吸收光譜上選擇臨近2點(diǎn)，即可通過上述理論計(jì)算待測SO2氣體的濃度。

3 SO2檢測實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用1 578.12 nm的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，其電流-波長的可調(diào)諧范圍約為1個(gè)nm。利用基于Sagnac干涉衰蕩腔的氣體檢測系統(tǒng)對(duì)3種不同濃度的SO2氣體依次進(jìn)行檢測。通過檢測吸收光譜，并通過第二節(jié)中的理論，依次計(jì)算出SO2氣體的濃度為10、18.8和31.2 ppm。圖5為SO2氣體濃度分別為10、18.8和31.2 ppm時(shí)的光譜衰蕩曲線，由圖可知，衰蕩時(shí)間隨著SO2濃度的增加而減小。圖6給出了SO2濃度與衰蕩時(shí)間關(guān)系，圖6中的擬合曲線證明兩者之間的關(guān)系為線性關(guān)系，擬合曲線的斜率為-2.1 μs/ppm。此傳感檢測系統(tǒng)可分辨的衰蕩時(shí)間為1%，此系統(tǒng)可檢測的最小SO2的濃度為0.1 ppm。

圖5 不同濃度下的衰蕩曲線

圖6 不同SO2氣體濃度下的衰蕩時(shí)間

4 結(jié)論

本文首先分析了吸收光譜技術(shù)檢測SO2氣體的獨(dú)特優(yōu)勢；然后，結(jié)合光纖衰蕩光譜技術(shù)，利用光熱原理與Sagnac干涉原理，設(shè)計(jì)出了基于偏振光干涉技術(shù)的SO2氣體傳感檢測系統(tǒng)，并分析了系統(tǒng)的檢測靈敏度與分辨率；最后，給出了SO2氣體濃度的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了SO2氣體的高靈敏度、高分辨率檢測，該系統(tǒng)可檢測的最小SO2的濃度為0.1 ppm。