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第十二 监测大气污染光纤传感器


第十章

监测大气污染光纤传感器
体积小,易挠曲,可 对有害有毒、易燃易 爆环境进行多点实时 遥测。

污染物
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在大气中有碍人体健康、有害生物和环境的代 表物有:氮氧化物、二氧化碳、二氧化硫、光 化学氧化剂、漂尘、氰化物、有机磷化物等等。

任务分类
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大气污染监测一般分为三类: 一是污染源的监测; 二是环境污染的监测; 三是特定目的地监测。

需要考虑的问题
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为了能取得反映实际情况且具有代表性的测定 结果,需要对采样点、采样时间、采样频率、 气象条件、地理特点、工业业布局以及采样方 法、监测方法、监测仪器等进行综合考虑。

按光纤作用分类

传光型

吸收光谱型、反射光型和荧光光谱型。

传感型

利用光弹效应进行检测的弹光型。

§10.2 光纤二氧化氮(N02)传感器
?

NO2是污染人气的主要气体之 ,是一种红褐 色有特殊刺激性臭味的气体,它对深部呼吸道 具有强烈的刺激作用.可引起肺损害甚至造成 肺水肿。采用弹光型和吸收光谱型的光纤声传 感器均可检测NO2的浓度。

10.2.1
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弹光型光纤NO2传感器

弹光型光纤NO2传感器的工作原理:NO2气体 吸收一定的光谱能量,使分子(原子)能级增加, 经生热过程使能级下降,根据理想气体的压力 与温度的相互关系产生声压波。借助于声传感 原理来测量该热感应声场的振幅,即吸收光能 量的大小。 传感器的核心是光声光谱仪。声传感器可以有 电容、压电等多种形式,但利用弹光效应的光 纤声传感器具有较高的灵敏度。

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一、传感器结构及原理
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马赫一泽德尔干涉仪 Ar+离子激光器

声波激励源是机械斩波的

检测对象:NO2气体的浓度;选用Ar气体 作为缓冲介质,与N02气体混合后,通入 有激励源通过的光声元件中。 ? N02对该谱线(496.5 nm)有最大的吸收 量,当被测气体吸收了经斩波器调制后的 激励源光谱时,光声元件开始发射周期性 声波信号;这种谐振波以压力的形式推动 圆筒形铝箔元件,使绕在其上的单模光纤 产生周期性弹性形变,这样传感臂与参考 臂之间的光程差,将出现周期性的变化, 通过干涉仪就能检测出这个变化。变化的 程度是由NO2气体的浓度大小决定。
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He—Ne激光器发出的光束经分光器后, 分别输入传感臂和参考臂的光纤中,光 纤的两个输出端平行放置。从两根光纤 出射的光,将形成一个干涉条纹区.通 过一个可变宽度的狭缝,由光电二极管 接收,经锁相放大器,监测干涉图形的 强度调制,这个调制是由声波引起的两 段光纤间光程差的变化引起的。

装置可检测N02气体的最低浓度为0. 5×10-6

测量结果和讨论

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影响灵敏度的几个因素:
1、铝箔厚度是对检测灵敏度影响最大的一个因 素。厚度越薄,精度越高。 2、适当增加箔筒和光纤长度,可以提高灵敏度。 3、采取一定的消除噪声的措施,能够进一步提 高灵敏度。 4、利用高质量耦合器,使干涉仪工作在正交状 态,能够大大提高信号质量。

10.2.2 差分吸收式光纤NO2传感器
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特点:采用双波长工作,消除了由光源、光纤 和传感头的不稳定和变化所引起的误差,提高 了灵敏度和准确度。 基本原理:基于气体分子的吸收特性。

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监测系统

?1 ? 488.0nm ?2 ? 514.5nm

优点
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这种监测系统的精度和灵敏度很高,不仅能补 偿或校准光源强度的不稳定性,以及透镜反射、 透镜损耗等对测量的影响,而且还能消除背景 吸收干扰。

监测结果

?1 ? 496.5nm ?2 ? 514.5nm

§10.3
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光纤氨气(NH3)传感器

化肥工业及大型冷冻厂(库)是氨气存在 的场所,高浓度氨刺激性较强,损害人 体健康甚至危及生命。

10.3.1

荧光光纤NH3传感器

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荧光光纤NH3,传感器是以对多孔硅橡 胶中滞留溶液进行隔离指示的荧光强度 变化为基础对NH3的浓度进行测量的。

系统的光学结构

典型响应时间:2~5分钟 ? 可逆性PH>8.0有很好的可逆性 ? 灵敏度与探测范围 10E-5mol/L ? 干扰:SO2和N2O3
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10.3.2 比色分析光纤NH3传感器
这种光纤NH3传感器使用了一种对氨气极 敏感的染料——耐尔兰A高氯酸盐染料。 ? 这种染料在常温下比较稳定,且在可见光 谱区不会化学退化;在室温下接触氨气时, 它马上从蓝色变成红色,当没有氨气时, 其颜色可以从红色回复到蓝色。
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吸收光谱: 没有NH3时,染 料为蓝色, 632.8nm红光透 过率很小; 有NH3时,染料 变为红色,光透 过率变大。

实验装置

传感器的可逆性

显示出染料薄膜 NH3传感器的可逆 性,不依赖于NH3 的浓度。

10.3.3 pH试剂光纤NH3传感器
应用 pH试剂的光纤氨传感器,不但适 用于测气态NH3,还能测含氨水样。 ? 该传感器是利用对一硝基苯酚试剂在弱 碱条件下的光谱吸收特性,通过测其吸 收率来计算NH3浓度。
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一、原理与装置
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传感器装置

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探头结构
用套管将发光光纤和探 测光纤胶合,光纤直径 5mm。 内部电解液: 0.01mol/L NH4Cl和 0.01mol/L的对硝基苯 酚

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基本原理

基本原理: ? 根据试样溶液中NH3浓度,气态NH3通过气体渗透膜扩 散,直到两侧NH3压力平衡。电解液中,NH3浓度的变 化会引起溶液pH值的变化,这会使pH指示染料对一硝 基苯酚的两种状态(质子化与非质子化)的相对比率发 生变化。 ? 当试样NH3浓度变大时,内部电解液中的NH3增加,使 内部电解液pH值升高,这又会使更多的指示染料进入 非质子化状态。对一硝基苯酚在非质子化状态大量吸 收404.7 nm处的辐射。这可由光系统监测。因此, 试样中NH3浓度增加产生大量发色团。该发色团的多少, 即对一硝基苯酚进入非质子化状态的多少,可由辐射 量的减少或对辐射吸收的增加来测出。

二、器件和试剂的选择

1、光源、光纤
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此系统选用钨丝灯做光源。这种光源的 优点是价廉,容易获得,使用方便,波 段宽,从可见光到近红外波段。但辐射 密度小,稳定性较差。针对钨丝灯辐射 密度小,系统采用大芯径,大NA,在 404.7 nm波长处损耗较小的塑料光纤。

2、阻红外滤波器
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用阻红外滤波器消除光源发出光线中的 近远红外波段,因为试剂在近红外波段 有一特征吸收峰。

3、光电倍增管
光电倍增管的优点在于其本身具有比光 电管较大的增益,可提高系统的灵敏度。 ? 其响应波长在近红外到近紫外波段。其 增益也补偿了光源光辐射密度小的问题。
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4、试剂的选择
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选择对-硝基苯酚作指示剂。

5、探头
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图10-11所示为探头结构。探头中薄膜一 方面起NH3选择渗透膜的作用,一方面 使入射光纤发出的光产生散射,散射光 有一部分进入出射光纤。通常在图10-10 所示的c-d段设一单向耦合器,滤除探头 对光源等造成的干扰光。

实验结果

吸收范围内 的吸收率和 NH3试样浓度 近似直线。

指示剂浓度从 1.0至 10mmol/L变 化时与响应时 间的关系。 显示增大指示 剂浓度会延长 响应时间。

§10.4 光纤二氧化碳(CO2)传感器
这里介绍的光纤CO2传感器是利用荧光 PH试剂对溶有CO2溶液的pH值作出荧 光反应,测得CO2浓度的。 ? 由于CO2溶于水生成的溶液pH=4~5, 酸性很弱,测量效果不好。而碳酸氧的 酸性比碳酸强,测量效果较好。
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一、基本原理
光纤CO2传感器是以具有CO2可渗透膜 和与碳酸氢小室相连接的pH敏感薄膜的 荧光变化为基础研制的。 ? CO2透入薄膜,就会引起pH值的变化, 这一变化可按pH荧光敏感染料的荧光变 化测定,响应范围与薄膜相连的碳酸氢 浓度有关。
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CO2传感器的结构图

CO2渗透膜与pH敏感薄膜 相连,当传感器进入样品 中时, CO2将透过渗透膜 进入pH敏感膜和HCO3容器。 在平衡状态下,样品中的 CO2压强与传感器中的CO2 压强相同。 理论上CO2浓度与在470nm 激励产生的荧光光强有关。

二、探头结构

试剂为NaHCO3溶液

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图10-18所示为测CO2的小室。PH敏感膜 和 CO2可渗透硅橡胶膜密封在一个玻璃 试管的一端,试管中装满已知浓度的碳酸 氢溶液,两分支光纤插入一个橡皮塞中, 被密封在试管里。试管是气密的,只允许 反应物注入。小室在测荧光时,由铝进行 光密封,以防止背景光的影响。

实验结果
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在CO2低浓度 区,两条曲线 一致,在高浓 度区,试验曲 线光强小于理 论预测

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由于PH传感器测 量范围的限制, CO2传感器可测 浓度有特定的限 制。最灵敏范围 是:6.5~8.0。

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响应时间: 约3分钟可达 到稳态响应。

§10.5
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光纤瓦斯传感器

瓦斯气体的主要成分是甲烷。光纤瓦斯传 感系统是利用瓦斯气体在1.331um的混合 吸收带,按Beer—Iambert定律与双波长 差分吸收法,来探测大气中瓦斯气体的含 量,由微机实现数据采集与处理,显示所 测瓦斯浓度,准确度可达0.025%。 ? 此系统可广泛用于石油、化工、天燃气站、 管道、煤矿、环境污染等许多领域。

传感系统装置
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?1 ? 1.331?m ?2 ? 1.27?m

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λ 1λ 2的选取

传感探头

一对准直透镜与一 棱镜组成,整个探 头的损耗为4~7dB


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