導(dǎo)語：光纖傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)研討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

本研究基于光纖傳感技術(shù)和氣體光譜吸收檢測(cè)技術(shù)，初步研究設(shè)計(jì)了氣態(tài)烴光纖傳感器，提出了裝置設(shè)計(jì)的總思路，建立了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)模塊。海洋化探烴類檢測(cè)的野外工作需要有相應(yīng)的航次配合，重復(fù)采集樣品幾率很小，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)也就提出了更高要求…。

1基于光纖傳感技術(shù)的氣體吸收檢測(cè)技術(shù)

光纖傳感器是一種把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置。其原理為：由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導(dǎo)至敏感元件。光的某一性質(zhì)受到被測(cè)量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，最后經(jīng)信號(hào)處理得到所期待的被測(cè)量。本文中使用的為傳光型光纖傳感器1。非對(duì)稱雙原子和多原子分子氣體(如CH4、H20、C2H，、NOz等)在紅外波段均有特征吸收峰，當(dāng)激發(fā)光源覆蓋一個(gè)或多個(gè)氣體吸收線，光通過氣體時(shí)將發(fā)生衰減：部分光被氣體吸收，一部分光被氣體散射，其衰減符合比爾一朗伯定律¨】：c=爿其中三為傳感長(zhǎng)度；a為摩爾吸收系數(shù)(與溶液濃度無關(guān)的一個(gè)常數(shù))；Io、I為入射光強(qiáng)和出射光強(qiáng)。此時(shí)如果和己知，那么通過檢測(cè)J『和厶就可以測(cè)得氣體的濃度[～。基于以上理論，本研究對(duì)氣態(tài)烴光纖傳感器進(jìn)行了技術(shù)路線的選擇和初步設(shè)計(jì)。

2氣態(tài)烴光纖傳感器的初步設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的氣態(tài)烴光纖傳感器與其配套裝置，可實(shí)現(xiàn)海洋烴類快速探測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理一體化，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺度、不同精度數(shù)據(jù)的綜合解釋和烴類異常的現(xiàn)場(chǎng)圈定。

2．1技術(shù)的總體思路

(1)采用氣烴類光纖傳感器對(duì)海水中進(jìn)入氣室的氣體進(jìn)行分析，測(cè)出樣品中各種烴的含量，并將測(cè)量的結(jié)果傳輸?shù)浇K端；(：)終端儀器對(duì)測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圈定異常，現(xiàn)場(chǎng)得到初步的評(píng)價(jià)結(jié)果。

2．2儀器的基本結(jié)構(gòu)

氣態(tài)烴光纖傳感器由光譜分析檢測(cè)腔(簡(jiǎn)稱氣室)，光纖耦合器，光纖光柵濾波器，光電轉(zhuǎn)換器和終端計(jì)算機(jī)等構(gòu)成。激光光源定時(shí)發(fā)出探測(cè)信號(hào)，經(jīng)過光纖傳到氣室，氣室中的烴類氣體由于其吸收譜和激光縱模對(duì)應(yīng)損耗大而被抑制1；光信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行光譜解析與記錄，探測(cè)烴類含量。實(shí)現(xiàn)模塊如圖1所示。由于終端數(shù)據(jù)分析儀器較為精密，且測(cè)量結(jié)果受環(huán)境影響大，我們將前端的測(cè)量氣室和終端數(shù)據(jù)分析儀器分離，中間用光纖進(jìn)行連接。如圖2所示。

2．3優(yōu)點(diǎn)及創(chuàng)新性評(píng)價(jià)

目前，海洋油氣勘探主要的方法是將海上采集的樣品送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，期間烴類等揮發(fā)物質(zhì)易發(fā)生逸散。這些干擾因素帶來得誤差很難定量預(yù)測(cè)或估算，因而降低了室內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性、精度，相比而言，本裝置可方便的進(jìn)行海上現(xiàn)場(chǎng)勘探工作，不需將樣品返回陸地，就大大的減小了由于運(yùn)輸中的干擾帶來的誤差，采用新技術(shù)提高了精確度。可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同層次，不同尺度、不同精度數(shù)據(jù)的綜合解釋和烴類異常的現(xiàn)場(chǎng)圈定，預(yù)測(cè)遠(yuǎn)景區(qū)并篩選靶區(qū)。

3儀器調(diào)制實(shí)驗(yàn)研究

3．1實(shí)驗(yàn)概況

主要進(jìn)行了以下工作：

(1)完成制作一個(gè)系統(tǒng)激光光源；

(2)模塊實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)制：成功裝配了一套簡(jiǎn)單的光纖傳感氣體檢測(cè)系統(tǒng)，完成了初步系統(tǒng)調(diào)試，并進(jìn)行烴類氣體的吸收檢測(cè)試驗(yàn)。

(3)對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的情況進(jìn)行分析解釋并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3．2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下(按時(shí)間進(jìn)行)：

(1)激光光源的制作其外形結(jié)構(gòu)如圖3中右側(cè)白色“盒子”所示，在試驗(yàn)時(shí)我們采用的激光光源是單模(多模)的l3l0ilm光纖收發(fā)器(型號(hào)為HTB一1loo)L，如圖3中左下部分的集成電路(去掉外殼的內(nèi)部結(jié)構(gòu))。

(2)烴類氣體吸收檢測(cè)試驗(yàn)本次實(shí)驗(yàn)中，我們組建了一套簡(jiǎn)單的烴類氣體吸收檢測(cè)系統(tǒng)，整套系統(tǒng)由激光光源(單模<多模>的l310rim光纖收發(fā)器)、加工過的帶接頭光纖，光譜儀(PO加藤5330)、電源和樣品注入器等組成。實(shí)際儀器裝配如圖4所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)用加工過的帶接頭光纖將1310nm光纖收發(fā)器和光譜儀連接起來；初始化系統(tǒng)：即等待光譜儀工作穩(wěn)定并手工調(diào)整光纖耦合度使光譜儀顯示圖像清晰，提高信噪比；裝配好系統(tǒng)后，用注入器將樣品注入加工過的光纖(在光纖FC接口處加工有樣品注入口)，等系統(tǒng)穩(wěn)定后即可從光譜儀的屏幕上看到分析結(jié)果，同時(shí)可儲(chǔ)存本次結(jié)果。

(3)對(duì)烴類的感應(yīng)完成了調(diào)試光纖耦合度的調(diào)制工作后，用樣品注入器將甲烷氣體注入光纖接頭的注入口，在光譜儀終端顯示圖像如圖5(a)所示，對(duì)比未通入甲烷氣體時(shí)的終端顯示圖像，圖5(b)，我們可以發(fā)現(xiàn)以下不同：

(1)譜線的峰值由-45．3降低~1J-48．1；

(2)在甲烷的特征譜線l330nm處吸收譜線有明顯的波動(dòng)；產(chǎn)生這些結(jié)果的原因分析可見下面內(nèi)容。(如圖5)

(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果成因分析

1)實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，由于光纖內(nèi)存在一定量的空氣，這些空氣吸收了部分譜線，因此峰值為負(fù)值；峰值的降低是因?yàn)槌淙氲臍怏w對(duì)總的激光譜線都有一定的吸收，使得輸出的能量減小，終端顯示曲線峰值變小。

2)在1330nm處曲線有些波動(dòng)，因?yàn)榧淄闅怏w的吸收特征譜線為l33Onto，也就是說甲烷在1330nm處的吸收強(qiáng)度最大，因此在1330nm處曲線有下降的波動(dòng)。

3)圖中所示吸收的效果并不是很明顯，分析原因如下：a、整個(gè)儀器的密閉性不強(qiáng)，造成甲烷注入后迅速向外擴(kuò)散，使得濃度變?。籦、激光與甲烷氣體的接觸次數(shù)太少一一只有一次，吸收不夠充分；

4)由上面幾組圖像，將其時(shí)間、曲線和坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，存在著測(cè)量譜線的漂移(波峰由1313rim變?yōu)?315nm)，分析原因?yàn)楣庾V儀因使用時(shí)間長(zhǎng)，溫度升高，測(cè)量的精度發(fā)生變化，所以在儀器使用前需要對(duì)其進(jìn)行初始化，輸出穩(wěn)定后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4結(jié)論

通過本研究了解到光纖傳感技術(shù)具有傳光損耗小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度和線性度好、能在惡劣環(huán)境下進(jìn)行非接觸式、非破壞性以及遠(yuǎn)距離測(cè)量等特點(diǎn)，能很好地符合海上化探技術(shù)必須具備現(xiàn)場(chǎng)快速勘查的實(shí)時(shí)性、高精度、高靈敏度要求。在此基礎(chǔ)上，研究并初步設(shè)計(jì)了氣態(tài)烴光纖傳感器，并組建和一個(gè)簡(jiǎn)單的光纖傳感氣體檢測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行調(diào)制實(shí)驗(yàn)。本研究將能實(shí)現(xiàn)對(duì)海水的烴類含量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)分析，不需取樣，提高了實(shí)效性。本研究完成了氣態(tài)烴光纖傳感器技術(shù)方案路線選擇和初步設(shè)計(jì)，是為后續(xù)的工作奠定基礎(chǔ)。此外，對(duì)后續(xù)工作提出以下建議：

(1)激光光源上，本研究使用的光源只有一個(gè)波段(1310rim)，只能對(duì)甲烷氣體檢測(cè)有較好的反應(yīng)，建議使用可調(diào)制的激光光源，可對(duì)應(yīng)各烴類的特征譜線，進(jìn)行全面的檢測(cè)；

(2)分析實(shí)驗(yàn)，建議使用專業(yè)氣室，并進(jìn)出氣13采用特殊的分子薄膜(分子篩)進(jìn)行保護(hù)；使用環(huán)形腔，增加氣體和激光的接觸次數(shù)，以提高吸收量。

(3)本實(shí)驗(yàn)中使用的光譜為紅外光譜，分析精度不能達(dá)到目標(biāo)要求，建議后續(xù)工作中使用拉曼光譜(需麥克爾遜干涉調(diào)制)，以提高精度。