检测大气污染光纤传感器.docx

监测大气污染光纤传感器刘非航天学院电子信息科学技术系指导教师:刘丽华摘要:在大气中有碍人体健康、有害生物和植物的代表物有:氮氧化物、二氧化碳、二氧化硫、有机磷化物等等。大气污染监测的任务就是对有害物质的来源、分布、数量、动向等进行观察、分析。早期的激光雷达可以对污染空气进行连续、实时地监测,但是由于激光雷达需要直线地、无障碍地传输,因此它只能监测高空中污染气体浓度,其监测质量与大气能见度有关。由于光纤传感器具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全、灵敏度高、便于复用,便于成网等诸多优点以及广泛研究,已出现了多种用于大气污染监测的光纤传感器。如监测城市和工业区中的大气污染气体(NO2,HCl,CH4)浓度以及煤矿、石油、天然气开采中的甲烷气体浓度。关键词:大气污染光纤传感监测监测大气污染光纤传感器的分类监测大气污染光纤传感器,按光纤在其中所起的作用可以分为传光型和传感型两类。所谓传光型是指:光纤在其中仅仅作为传光的媒介,光纤是不连续的,其间有中断,中断部分要加上其他敏感元件才能构成传感器。所谓传感型是指:在这类传感器中,光纤不仅起传光作用,而且还利用光纤在外界因素,如温度,压力,电场,磁场等作用下,使其传光特性发生变化以实现传感测量,光纤具有传感合一的功能。其中,传光型又包括吸收光谱型、反射光型和荧光光谱型。传感型主要是利用弹光效应进行检测。这里,我们以吸收光谱型光纤气体传感器为例来说明其应用原理。2 吸收光谱型光纤气体传感器2..1系统工作原理这种传感器属于传光型。基于气体的吸收光谱随物质的成分而变的原理、不同气体分子对应不同的吸收谱线,测量某一特定吸收谱线强度,就可以检测气体中的某种成分。表1列出了一些气体分子的吸收带中心波长。当光通过介质时,由比尔定律可知[2],光的吸收系数与物质的浓度、通过吸收介质长度与透射光强满足以下关系I=I0exp[-(αcl+βl+γl+δ)],美国国家空气污染控制管理局(NAPCA)芝加哥监测站测得的1创饱年各种污染物的平均浓度式中,I,I0分别是透射和入射光强;α是一定波长下的单位浓度、单位长度介质的吸收系数;β是瑞利散射系数;γ是米氏散射系数;δ是气体密度波动造成的吸收系数;l是待测气体与光相互作用的长度;c是待测气体浓度。仅从(1)式来确定待测气体的浓度是很困难的。如果用两个波长(λ1,λ2)相隔很近(但在吸收系数上有很大差别)的单色光同时或相差很短时间内通过待测气体,则待测气体的浓度可以简化为在两波长已知下,若气体的吸收系数可以测量,就可以根据输入输出光强的变化量求出气体的浓度。,其后向散射光的频率将产生变化,频移的数值由污染分子本身的振动频率决定。各种污染物质都有其特征的、相对于激励光的喇曼频移,图2是几种污染分子的喇曼频移咖。测量散射光的频移数值,就可以识别出污染气体的成分。通过将后向散射的强度和N:或O:的喇曼散射强度进行比较,可以确定各个污染物的绝对浓度(因为,在大气中N,或O:的浓度是一定的)。除了能测量绝对浓度以外,喇曼散射检测污染的优点还有:利用单一波长的激光器可以测量出不同污染气体的存在,激光波长可以选择在大气透明光谱区。激光发射机和接收系统可以放在一起,便于制成紧凑的,可移动的装置。这种方法可以遥测大气污染,测量的深度分辨率很高。其缺点是喇曼散射截