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摘 要:本研究在调研了大量光纤传感技术文献的基础上,对用于烃类组分进行直接检测的气态烃光纤传感器进行理论研究,完成了技术方案路线的选择和初步设计,探索性进行光纤传感在流体检测方面的实验,为后续该技术开发打下良好的基础。
关键词:光纤传感 光谱分析 烃类勘查 烃类检测
中图分类号:TE254.1 文献标识码:A 文章编号:1674-198X(2011)12(b)-0007-02
本研究基于光纤传感技术和气体光谱吸收检测技术,初步研究设计了气态烃光纤传感器,提出了装置设计的总思路,建立了相应的实现模块。海洋化探烃类检测的野外工作需要有相应的航次配合,重复采集样品几率很小,对现场技术也就提出了更高要求[1]。
1 基于光纤传感技术的气体吸收检测技术
光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。其原理为:由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。光的某一性质受到被测量的调制,已调光经接收光纤耦合到光接收器,使光信号变为电信号,最后经信号处理得到所期待的被测量。本文中使用的为传光型光纤传感器[2～3]。
非对称双原子和多原子分子气体(如等)在红外波段均有特征吸收峰,当激发光源覆盖一个或多个气体吸收线,光通过气体时将发生衰减:部分光被气体吸收,一部分光被气体散射,其衰减符合比尔－朗伯定律[4～5]:
其中为传感长度;为摩尔吸收系数(与溶液浓度无关的一个常数);、为入射光强和出射光强。此时如果和己知,那么通过检测和就可以测得气体的浓度[6～7]。
基于以上理论,本研究对气态烃光纤传感器进行了技术路线的选择和初步设计。
2 气态烃光纤传感器的初步设计
本研究设计的气态烃光纤传感器与其配套装置,可实现海洋烃类快速探测与现场数据处理一体化,可实现对不同尺度、不同精度数据的综合解释和烃类异常的现场圈定。
2.1 技术的总体思路
(1)采用气烃类光纤传感器对海水中进入气室的气体进行分析,测出样品中各种烃的含量,并将测量的结果传输到终端;
(2)终端仪器对测出的数据进行分析,圈定异常,现场得到初步的评价结果。
2.2 仪器的基本结构
气态烃光纤传感器由光谱分析检测腔(简称气室),光纤耦合器,光纤光栅滤波器,光电转换器和终端计算机等构成。激光光源定时发出探测信号,经过光纤传到气室,气室中的烃类气体由于其吸收谱和激光纵模对应损耗大而被抑制[8];光信号经过光电转换器进入计算机进行光谱解析与记录,探测烃类含量。实现模块如图1所示。
由于终端数据分析仪器较为精密,且测量结果受环境影响大,我们将前端的测量气室和终端数据分析仪器分离,中间用光纤进行连接。如图2所示。
2.3 优点及创新性评价
目前,海洋油气勘探主要的方法是将海上采集的样品送实验室进行分析,期间烃类等挥发物质易发生逸散。这些干扰因素带来得误差很难定量预测或估算,因而降低了室内测试数据结果的准确性、精度,相比而言,本装置可方便的进行海上现场勘探工作,不需将样品返回陆地,就大大的减小了由于运输中的干扰带来的误差,采用新技术提高了精确度。可实现对不同层次,不同尺度、不同精度数据的综合解释和烃类异常的现场圈定,预测远景区并筛选靶区。
3 仪器调制实验研究
3.1 实验概况
主要进行了以下工作:(1)完成制作一个系统激光光源;(2)模块实现并进行试验调制:成功装配了一套简单的光纤传感气体检测系统,完成了初步系统调试,并进行烃类气体的吸收检测试验。(3)对实验中出现的情况进行分析解释并对系统进行优化改进。
3.2 实验内容
具体实验内容如下(按时间进行):
(1)激光光源的制作
其外形结构如图3中右侧白色“盒子”所示,在试验时我们采用的激光光源是单模(多模)的1310nm光纤收发器(型号为HTB-1100)[9],如图3中左下部分的集成电路(去掉外壳的内部结构)。(如图3图4)
(2)烃类气体吸收检测试验
本次实验中,我们组建了一套简单的烃类气体吸收检测系统,整套系统由激光光源(单模<多模>的1310nm光纤收发器)、加工过的带接头光纤、光谱仪(PO加藤5330)、电源和样品注入器等组成。实际仪器装配如图4所示。
实验时用加工过的带接头光纤将1310nm光纤收发器和光谱仪连接起来;初始化系统:即等待光谱仪工作稳定并手工调整光纤耦合度使光谱仪显示图像清晰,提高信噪比;装配好系统后,用注入器将样品注入加工过的光纤(在光纤FC接口处加工有样品注入口),等系统稳定后即可从光谱仪的屏幕上看到分析结果,同时可储存本次结果。
(3)对烃类的感应
完成了调试光纤耦合度的调制工作后,用样品注入器将甲烷气体注入光纤接头的注入口,在光谱仪终端显示图像如图5(a)所示,对比未通入甲烷气体时的终端显示图像,图5(b),我们可以发现以下不同:(1)谱线的峰值由-45.3降低到-48.1;(2)在甲烷的特征谱线1330nm处吸收谱线有明显的波动;产生这些结果的原因分析可见下面内容。(如图5)
(4)实验结果成因分析
1)实验开始时,由于光纤内存在一定量的空气,这些空气吸收了部分谱线,因此峰值为负值;峰值的降低是因为充入的气体对总的激光谱线都有一定的吸收,使得输出的能量减小,终端显示曲线峰值变小。
2)在1330nm处曲线有些波动,因为甲烷气体的吸收特征谱线为1330nm,也就是说甲烷在1330nm处的吸收强度最大,因此在1330nm处曲线有下降的波动。
3)图中所示吸收的效果并不是很明显,分析原因如下:a、整个仪器的密闭性不强,造成甲烷注入后迅速向外扩散,使得浓度变小;b、激光与甲烷气体的接触次数太少——只有一次,吸收不够充分;
4)由上面几组图像,将其时间、曲线和坐标进行对比发现,存在着测量谱线的漂移(波峰由1313nm变为1315nm),分析原因为光谱仪因使用时间长,温度升高,测量的精度发生变化,所以在仪器使用前需要对其进行初始化,输出稳定后再进行实验。
4 结论
通过本研究了解到光纤传感技术具有传光损耗小、抗电磁干扰能力强、灵敏度和线性度好、能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量等特点,能很好地符合海上化探技术必须具备现场快速勘查的实时性、高精度、高灵敏度要求。在此基础上,研究并初步设计了气态烃光纤传感器,并组建和一个简单的光纤传感气体检测系统,并进行调制实验。本研究将能实现对海水的烃类含量现场实时分析,不需取样,提高了实效性。
本研究完成了气态烃光纤传感器技术方案路线选择和初步设计,是为后续的工作奠定基础。此外,对后续工作提出以下建议:
(1)激光光源上,本研究使用的光源只有一个波段(1310nm),只能对甲烷气体检测有较好的反应,建议使用可调制的激光光源,可对应各烃类的特征谱线,进行全面的检测;
(2)分析实验,建议使用专业气室,并进出气口采用特殊的分子薄膜(分子筛)进行保护;使用环形腔,增加气体和激光的接触次数,以提高吸收量。
(3)本实验中使用的光谱为红外光谱,分析精度不能达到目标要求,建议后续工作中使用拉曼光谱(需麦克尔逊干涉调制),以提高精度。
参考文献
[1] 孙春岩,肖桂义,牛滨华,等.芳香族分子示踪在海洋油气勘探中的开发和应用[J].地学前缘,2004,11(4).
[2] 靳伟,阮双琛,等著.光纤传感技术新进展[M].北京:科学技术出版社,2005,116-137.
[3] 李川,张以谟,赵永贵,李立京编著.光纤光栅:原理、技术与传感应用[M].北京:科学技术出版社,2005.
[4] 王玉田,郭廷荣,王莉田,侯培国.吸收式光纤甲烷气体传感器的研究[J].传感技术学报,2001.
[5] 王玉田,李晓昕,刘占伟,郭媛,王书涛,车仁生.甲烷气体多点光纤传感系统的研究[J].光电工程,2004,31(6).
[6] 王书涛,车仁生,王玉田,田庆国.基于光声光谱法的光纤气体传感器研究[J].中国激光.2004, 31(8).
[7] 李艳萍,张丽红,伦翠芬,侯桂凤,王玉田.基于光反射原理的油罐液位测量系统的研究[J].光通信技术,2004.
[8] 王侠,宋东草,杨尚明,陈瑞平,陈冰泉.光纤甲烷气体传感器可行性研究[J].烟台大学学报(自然科学与工程版),2004,17(2).
[9] 王玉田,郭增军,王莉田,王亮.新型甲烷光纤传感器的研究[J].光学技术,2001,27(4).
关键词:光纤传感 光谱分析 烃类勘查 烃类检测
中图分类号:TE254.1 文献标识码:A 文章编号:1674-198X(2011)12(b)-0007-02
本研究基于光纤传感技术和气体光谱吸收检测技术,初步研究设计了气态烃光纤传感器,提出了装置设计的总思路,建立了相应的实现模块。海洋化探烃类检测的野外工作需要有相应的航次配合,重复采集样品几率很小,对现场技术也就提出了更高要求[1]。
1 基于光纤传感技术的气体吸收检测技术
光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。其原理为:由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。光的某一性质受到被测量的调制,已调光经接收光纤耦合到光接收器,使光信号变为电信号,最后经信号处理得到所期待的被测量。本文中使用的为传光型光纤传感器[2～3]。
非对称双原子和多原子分子气体(如等)在红外波段均有特征吸收峰,当激发光源覆盖一个或多个气体吸收线,光通过气体时将发生衰减:部分光被气体吸收,一部分光被气体散射,其衰减符合比尔－朗伯定律[4～5]:
其中为传感长度;为摩尔吸收系数(与溶液浓度无关的一个常数);、为入射光强和出射光强。此时如果和己知,那么通过检测和就可以测得气体的浓度[6～7]。
基于以上理论,本研究对气态烃光纤传感器进行了技术路线的选择和初步设计。
2 气态烃光纤传感器的初步设计
本研究设计的气态烃光纤传感器与其配套装置,可实现海洋烃类快速探测与现场数据处理一体化,可实现对不同尺度、不同精度数据的综合解释和烃类异常的现场圈定。
2.1 技术的总体思路
(1)采用气烃类光纤传感器对海水中进入气室的气体进行分析,测出样品中各种烃的含量,并将测量的结果传输到终端;
(2)终端仪器对测出的数据进行分析,圈定异常,现场得到初步的评价结果。
2.2 仪器的基本结构
气态烃光纤传感器由光谱分析检测腔(简称气室),光纤耦合器,光纤光栅滤波器,光电转换器和终端计算机等构成。激光光源定时发出探测信号,经过光纤传到气室,气室中的烃类气体由于其吸收谱和激光纵模对应损耗大而被抑制[8];光信号经过光电转换器进入计算机进行光谱解析与记录,探测烃类含量。实现模块如图1所示。
由于终端数据分析仪器较为精密,且测量结果受环境影响大,我们将前端的测量气室和终端数据分析仪器分离,中间用光纤进行连接。如图2所示。
2.3 优点及创新性评价
目前,海洋油气勘探主要的方法是将海上采集的样品送实验室进行分析,期间烃类等挥发物质易发生逸散。这些干扰因素带来得误差很难定量预测或估算,因而降低了室内测试数据结果的准确性、精度,相比而言,本装置可方便的进行海上现场勘探工作,不需将样品返回陆地,就大大的减小了由于运输中的干扰带来的误差,采用新技术提高了精确度。可实现对不同层次,不同尺度、不同精度数据的综合解释和烃类异常的现场圈定,预测远景区并筛选靶区。
3 仪器调制实验研究
3.1 实验概况
主要进行了以下工作:(1)完成制作一个系统激光光源;(2)模块实现并进行试验调制:成功装配了一套简单的光纤传感气体检测系统,完成了初步系统调试,并进行烃类气体的吸收检测试验。(3)对实验中出现的情况进行分析解释并对系统进行优化改进。
3.2 实验内容
具体实验内容如下(按时间进行):
(1)激光光源的制作
其外形结构如图3中右侧白色“盒子”所示,在试验时我们采用的激光光源是单模(多模)的1310nm光纤收发器(型号为HTB-1100)[9],如图3中左下部分的集成电路(去掉外壳的内部结构)。(如图3图4)
(2)烃类气体吸收检测试验
本次实验中,我们组建了一套简单的烃类气体吸收检测系统,整套系统由激光光源(单模<多模>的1310nm光纤收发器)、加工过的带接头光纤、光谱仪(PO加藤5330)、电源和样品注入器等组成。实际仪器装配如图4所示。
实验时用加工过的带接头光纤将1310nm光纤收发器和光谱仪连接起来;初始化系统:即等待光谱仪工作稳定并手工调整光纤耦合度使光谱仪显示图像清晰,提高信噪比;装配好系统后,用注入器将样品注入加工过的光纤(在光纤FC接口处加工有样品注入口),等系统稳定后即可从光谱仪的屏幕上看到分析结果,同时可储存本次结果。
(3)对烃类的感应
完成了调试光纤耦合度的调制工作后,用样品注入器将甲烷气体注入光纤接头的注入口,在光谱仪终端显示图像如图5(a)所示,对比未通入甲烷气体时的终端显示图像,图5(b),我们可以发现以下不同:(1)谱线的峰值由-45.3降低到-48.1;(2)在甲烷的特征谱线1330nm处吸收谱线有明显的波动;产生这些结果的原因分析可见下面内容。(如图5)
(4)实验结果成因分析
1)实验开始时,由于光纤内存在一定量的空气,这些空气吸收了部分谱线,因此峰值为负值;峰值的降低是因为充入的气体对总的激光谱线都有一定的吸收,使得输出的能量减小,终端显示曲线峰值变小。
2)在1330nm处曲线有些波动,因为甲烷气体的吸收特征谱线为1330nm,也就是说甲烷在1330nm处的吸收强度最大,因此在1330nm处曲线有下降的波动。
3)图中所示吸收的效果并不是很明显,分析原因如下:a、整个仪器的密闭性不强,造成甲烷注入后迅速向外扩散,使得浓度变小;b、激光与甲烷气体的接触次数太少——只有一次,吸收不够充分;
4)由上面几组图像,将其时间、曲线和坐标进行对比发现,存在着测量谱线的漂移(波峰由1313nm变为1315nm),分析原因为光谱仪因使用时间长,温度升高,测量的精度发生变化,所以在仪器使用前需要对其进行初始化,输出稳定后再进行实验。
4 结论
通过本研究了解到光纤传感技术具有传光损耗小、抗电磁干扰能力强、灵敏度和线性度好、能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量等特点,能很好地符合海上化探技术必须具备现场快速勘查的实时性、高精度、高灵敏度要求。在此基础上,研究并初步设计了气态烃光纤传感器,并组建和一个简单的光纤传感气体检测系统,并进行调制实验。本研究将能实现对海水的烃类含量现场实时分析,不需取样,提高了实效性。
本研究完成了气态烃光纤传感器技术方案路线选择和初步设计,是为后续的工作奠定基础。此外,对后续工作提出以下建议:
(1)激光光源上,本研究使用的光源只有一个波段(1310nm),只能对甲烷气体检测有较好的反应,建议使用可调制的激光光源,可对应各烃类的特征谱线,进行全面的检测;
(2)分析实验,建议使用专业气室,并进出气口采用特殊的分子薄膜(分子筛)进行保护;使用环形腔,增加气体和激光的接触次数,以提高吸收量。
(3)本实验中使用的光谱为红外光谱,分析精度不能达到目标要求,建议后续工作中使用拉曼光谱(需麦克尔逊干涉调制),以提高精度。
参考文献
[1] 孙春岩,肖桂义,牛滨华,等.芳香族分子示踪在海洋油气勘探中的开发和应用[J].地学前缘,2004,11(4).
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[4] 王玉田,郭廷荣,王莉田,侯培国.吸收式光纤甲烷气体传感器的研究[J].传感技术学报,2001.
[5] 王玉田,李晓昕,刘占伟,郭媛,王书涛,车仁生.甲烷气体多点光纤传感系统的研究[J].光电工程,2004,31(6).
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[9] 王玉田,郭增军,王莉田,王亮.新型甲烷光纤传感器的研究[J].光学技术,2001,27(4).