用红外发光二极管测量甲烷气体浓度
摘要：本文介绍了一种用红外发光二极管测量甲烷（CH4）气体浓度的简便方法。（波长1.6mu;m）近年来，甲烷天然气越来越多地被用于城市燃气。然而，甲烷是危险的易爆气体，甲烷气体对气体爆炸是有害的，因此需要更准确和简便的甲烷浓度传感器来检测。我们研制了一种用于测量甲烷气体浓度的红外吸收系统。我们的方法比现有的测量方法更简单，更方便用户使用。气体浓度与吸收、光路长度和吸收强度有关。甲烷分子在红外区具有吸收带（接近 1.3mu;m,1.6mu;m, 3.3mu;m and 7.6mu;m），而红外发光二极管的1.6mu;m波长属于甲烷吸收带。针对甲烷气体浓度传感器的发展，本文对CH4浓度吸收特性的传感特性进行了研究，并作了简要叙述。
关键词：甲烷、LED、吸收、气体传感器。
1.简介
最近，每单位天然气释放的温室气体二氧化碳（CO2）的热量比每单位石油和煤的排放量少，越来越多地用于城市煤气和发电厂。由于甲烷气体易爆，所以需要快速、准确、方便的甲烷气体浓度监测方法。此外，还需要选择性测量甲烷气体浓度的方法。一般来说，甲烷气体浓度的测定方法有催化燃烧法、热传导法、光学干涉法等。然而，催化燃烧法无法测量爆炸气体浓度区。热传导光学干涉法容易受到其他气体如H2O和CO2的影响。
我们研究了红外吸收法，并对实验结果进行了报告。该方法采用激光二极管（LD）波长扫描技术，检测甲烷在1300nm的吸收度并转换成甲烷气体浓度。本文提出了一种更方便的利用红外发光二极管甲烷气体浓度测量方法。
2.红外吸收法
2.1吸收理论
频率nu;单色光辐射传输（cm-1）通过一个均匀的气体样品的长度L（cm）可以使用Lambertrsquo;s-Beer法计算，公式如下：
I和I0是入射光的传播强度，alpha;（cm-1）是吸收系数。吸收率A定义如下：
对于一个单一的振转跃迁的目标气体，吸收系数可以计算为
P是总样气压力，X是样气中的气体的摩尔分数，S和Phi;是吸收跃迁线强度和线状函数。线的形状函数取决于通过多普勒展宽的温度和通过碰撞加宽的温度、压力和混合物组成。它可以被描述为以为Voigt参数为特征的Voigt模型。
其中
是多普勒线宽(FWHM, cm-1)。C,i (cm-1)是碰撞线宽，0,i是线中心频率，T是绝对温度（K），M（AMU）是甲烷的分子量。总的碰撞线宽可以通过求和各分量的贡献值来计算：
其中，XI是组成物j的摩尔分数，j,i是j分量扰动的跃迁加宽系数。碰撞加宽系数是温度的函数，可以用一个简单的幂律来描述这种依赖关系：
其中T0是参考温度，nj,i是温度指数。
我们使用HITRAN2004数据库确定了甲烷气体分子的线强度。虽然在HITRAN2004数据库描述线强度值以cm molecule-1为单位，它可以通过公式S (cm-2 atm-1) =2.4797times;10-19S(cm molecule-1)转换为cm-2 atm-1单位。
2.2参数
甲烷分子在红外区具有吸收带（接近 1.3mu;m,1.6mu;m, 3.3mu;m and 7.6mu;m）。根据HITRAN2004，一般在较长波长的光吸收率增加。表1显示了四个吸收带的最大线强度。我们已经阐述了红外吸收法在1.3mu;m波长范围内使用红外激光二极管测量甲烷气体浓度的情况。该方法通过扫描激光二极管（LD）的波长来检测强度与气体浓度的吸收光谱。尽管近来与这个方法相近的流程已经被设计出来，但是这些方法需要很多的设备，如一个电流控制器和一个温控器的两个激光频率调谐。本文中我们指出一种新的在波长为1.6微米的区域采用红外发光二极管的方法（LED）。这使得甲烷气体浓度传感器的发展比常规方法更为方便。此外，该方法能够以较低的成本构建实验装置。
此外，在1.6mu;m附近，吸收线的灵敏度与1.3mu;m波段的使用相比提高了，因为1.6mu;m波段的线强度大于1.3mu;m波段。图1和图2分别显示了甲烷在1.6mu;m波段的吸收谱和LED的发射光谱。
3.实验装置
图3显示了LED实验装置的原理。电流控制器调节的InGaAs LED的输出（L8245, Hamamatsu Photonics K. K.,注入电流为1mA，）其中波长包括1.3mu;m到1.7mu;m。透射光束聚焦在InGaAs光二极管上。(PD:G8421-05, Hamamatsu Photonics K.K. PD：g8421-05，滨松光电K). 这些仪器在室温下工作。LED的光束经过充满CH4气体的测量气室(纯CH4 气体, HOKKAIDO AIR WATERINC.) 为了消除背景噪声信号，使用锁相放大器（LI-570A, NF Corp）作为同步检测器。振荡器的电流控制器(FG-272,KENWOOD TMI Corp.)和锁相放大器提供1khz正弦波模拟电压。
基于光学干涉法的气体测试仪(type R7, Hokkaido Toka Fine Technique Co.Ltd.)用于测量气体池中的甲烷。探测器测量浓度为100vol%的甲烷气体分辨率可达1vol%。利用这种方法，我们对不同浓度的CH4吸收的传感特性进行了检测。
4.结果与讨论
图4显示了甲烷气体的校准曲线。我们测量了浓度为0的甲烷气体样品97%吸收测量。研究发现，光吸收率随甲烷气体浓度的增加而增大。该特性可用于甲烷气体浓度传感器的研制。然而，即使在最高的CH4气体测量浓度（97 vol.%）中吸收率也相对较低（约10%）。这些结果可以归因于许多与吸收无关的发射波长（图一、图二）。在1.4mu;m到1.6mu;m的波长区，不存在强吸收线。为了比较现有的 LED系统和LD系统，LD系统的实验装置和实验结果分别如图五和图六所示。通过比较图三和图五，可以确定的是LED系统比LD系统简单。然而，如图六所示，LD系统的吸收率几乎是LED系统吸收率的五倍。因此，LED系统的探测能力比LD系统的低。
为评价LED气体传感器的探测率，我们监视锁定放大器输出的波动1分钟。从结果可以看出，探测率大约为1.4%。利用多反射型气体池（如积分球型气室）使光路长度变长可能解决这个问题。根据文献[ 11 ]，直径为2英寸（5.08cm）的积分球的内表面的反射率是98%，相当于一个直径为168cm的球体。因此，我们将采用积分球型气体池以提高浓度传感器的气体分辨率。
另一种提高灵敏度的方法是差分放大法，采用两个PD和一个差分放大器。本系统中LED的光输出由半镜分为两束光。这两个光束分别用作参考和测量信号。两个前置放大器平衡后，将两个信号放在差动放大器中。由于这种方法提取吸收信号，从而增加了CH4气体测量系统的探测率。
5.结论
通过实验研究甲烷吸收与浓度的关系，我们研制了一种新型甲烷气体浓度传感器。成功测量了0和97%之间的气体样品的吸收度。同时也证实了光吸收随甲烷气体浓度的增加而增大。然而，即使在97vol%瓦斯浓度下测量，LED的约为10%，比LD系统的吸收率低五倍。LED的气体传感器探测率约为1.4%。有两种提高浓度传感器分辨率的方法。一种是采用积分球型气体单元，另一种是使用两个PDS和一个差分放大器去只检测吸收信号。
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一种用于检测一氧化碳排放的红外光纤传感器
摘要：现有的一种光学纤维能够监测汽油发动机排气系统中二氧化碳和一氧化碳的存在。目前还没有能够根据欧洲法律要求提供这些废气的在线测量数据的商业传感器。本文提出了一种利用低成本、结构紧凑的中红外元件的传感器设计，使其适合置入交通工具中。结果提出了从实验室控制供应中产生的一氧化碳浓度的200ppm变化。
关键词:中红外;光纤传感器;一氧化碳;废气排放
1．简介
汽车排放物通常包括水蒸气、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（氮氧化物）、硫氧化物（SOx）、碳氢化合物、烟雾颗粒（直径0.05-100万）和颗粒物质。在完全燃烧条件下，将会有如下转换关系：
燃料（CxHx） 空气二氧化碳 H2O（1）
由于二氧化碳（CO2）和水蒸气（H2O）在大气中都是微量气体，所以不会产生污染。然而，在现实中，完全燃烧不会发生，以下描述的是燃料在发动机中燃烧的化学反应：
燃料（CxHx） 空气二氧化碳 H2O CO SOx 氮氧化物 PM CxHx吸烟（2）
研究表明这些产物不仅危害人类健康也危害环境。当一氧化碳（一氧化碳）浓度高于400ppm时，被认为是对人体有毒害作用的。尽管二氧化碳通常不被认为是一种污染物，因为它在大气中的含量较少，但是汽车发动机排放的过多的二氧化碳被认为是导致温室效应的一个重要因素。正如图1所示，由于一氧化碳和二氧化碳在中红外波长范围内都有很高的吸收能力，在这种波长范围内的光纤传感器应该能够探测到这两种废气的存在。
文献4-6提到，已经有许多可以检测一氧化碳的传感器，但是这些设备没有必要的物理特性来抵抗排气中存在的腐蚀性元素。相比之下, 一种由玻璃和陶瓷部件组成的光纤传感器在接触热和有毒气体时不会受到降解。光纤传感器特别适合于监测废气排放，因为它足够小而且重量轻，可以集成到汽车排气系统中，而且由于它不发射电所以很安全
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