基于红外吸收光谱的油气浓度光纤传感

【作者】 王允韬； 阮驰； 张文松； 赵洪波； 罗来根； 筵丽萍； 刘志麟；

【机构】 中国科学院西安光学精密机械研究所； 中国人民解放军总后勤部油料研究所； 昆山敏通传感技术研发中心；

【摘要】 在燃油的加工、储存、运输过程中,燃油挥发气体造成了极大的安全隐患。传统的电化学催化式的油气浓度传感器价格昂贵、使用寿命较短、需要经常标定,不能够满足燃油防火防爆安全的需求。将光纤传感技术应用于洞库油气浓度传感,具有灵敏度高、本质安全、可远程检测等诸多优点。本文的传感系统的原理基于红外吸收光谱。汽油挥发气体的成分复杂且不确定,因而其光谱也是不确定的。但是,本文的研究证实了,在某些特定的波长,各种汽油的光谱吸收是相同的。这个研究结果确保了将红外光谱法应用于汽油浓度传感的可能性。汽油的光谱吸收在近红外波段非常微弱,因而,高性能的降噪和去干扰措施是系统的关键。常用的降噪措施是波长调制光谱。但是汽油光谱的线宽很大(约40nm),不容易实现波长调制。另一种方法是双波长差分光谱。这种方法可以消除各种背景干扰,但是降噪声的能力有限,而且两条光路本身又引入一定的干扰。本文将光源调制和差分光谱结合在一起,降低噪声的同时也消除了缓变干扰。系统如图1所示。1705nm的光源对准气体光谱,1310nm作为参考光源。两个光源以不同的频率做幅度调制,并且通过一个2×2耦合器并入到相同的光路中,在接受端通过提取不同频率的信号,可以将两个波长所携带的信息分开。由于不同波长的光波共享同一条光路,消除了传统差分方法的问题。另一方面,幅度调制和谐波探测的手段又是有效的降噪声措施,提高了系统的灵敏度。考虑到长期使用时,两个光源的退化程度可能不同,我们依然引入了一条参考光路用以消除这个差别。由于两条光路本身都具有消除背景干扰的能力,因而参考光路不会引入新的干扰。更多还原