【摘要】甲烷气体光纤无源检测是基于气体在吸收峰波长下对光的吸收随浓度变化的原理，结合谐波检测和波长调制技术对甲烷气体的浓度进行检测的系统。系统采用多通道，可实现多点无源检测。根据甲烷的吸收峰对应的波长选择分布反馈式半导体激光器作为光源。在原油储运环境下的应用表明，该系统具有很好的检测精度和稳定性。
　　
【关键词】原油储运 甲烷 光纤 无源检测
　　
1 引言
　　
气体浓度检测在煤矿安全、空气污染、原油储运等领域中有重要的的作用。目前工业上用于气体浓度检测的传感器多为催化燃烧式这类传统传感器，传统传感器自身带电，在易燃易爆等工业环境中应用时存在安全隐患，而且这类传感器寿命短、精度低、稳定性差、调校困难，经常存在误测误报现象。本文基于原油储运环境提出甲烷光纤无源检测技术，其采用分布反馈式半导体激光器（DFB LD作为光源，通过光谱吸收技术和光源调制技术实现对气体浓度的二次谐波检测[1]。该系统具有无源本质安全的气体传感探头，以及易于形成网络等优点，是气体检测技术的发展方向，适用于原油储运等易燃易爆场所甲烷气体浓度的实时检测。
　　
2 检测原理
　　
根据比尔-朗伯特（Beer-Lam-bert）定律，穿过探头后的出射光强I与入射光强0I和气体的体积分数之间的关系为：
　　
式中，（ ） vα为气体吸收系数，即气体在一定频率v处的吸收线型；L为吸收路径的长度；C为气体的浓度。
　　
当激光发射波长在中心波长0v处，以频率为ω的驱动信号对激光的频率进行调制，激光的瞬时频率为：
　　
3 系统构成
　　
检测系统主要低频三角波和高频正弦组成的光源驱动部分、光源恒温控制部分，传感探头部分，前置放大和光电转换部分，锁相解调部分、数据处理部分构成。
　　
光源驱动电路是将低频三角波和高频正弦信号经运放叠加后加到激光器上，激光器输出光的波长扫描范围随三角波幅值大小而改变，从而保证了光源输出光波长能够覆盖被测气体的吸收谱线，而施加高频正弦波的目的是为了实现二次谐波检测[5]。另由于受温度影响，光源波长会发生漂移，因而要有温控电路使光源工作在恒温状态。传感探头部分是指气室，光通过其中时被甲烷气体吸收而使得光强衰减。
　　
根据甲烷气体的吸收峰选择相应的DFB激光器和光电接收器（光电二极管），光源发出的光通过光耦合器，经光纤传输至气室吸收后，带有气体浓度信息的光信号被光电二极管接收转换成电信号，然后通过前置放大电路和锁相解调电路提取二次谐波信号。
　　
多点测量时各个光纤通道上产生的相位变化等光学特征也各不相同，因此必须设计专门的锁相解调电路。系统采用了4象限乘法器MLT04 设计了锁相解调电路，可得到与相位变化无关的幅值信号，从而消除相位变化的影响。
　　
实现了锁相解调后，再经CPU进行信号处理就得到了气体浓度信息。CPU处理器通过RS-485总线与上位机通讯实现气体浓度的显示。气体浓度标定在上位机上实现。
　　
4 应用与分析
　　
在原油储藏罐周围布置了71个传感探头。
　　
在上位机监控界面上完成标定以后，在观察运行期间就不再对系统中仪表、探头、光缆等任何装置或部件进行任何形式的标定或调校。