李 勇
（合肥工业大学，合肥 230000）
六氟化硫（SF6）是一种工业领域中常用的合成气体，其主要应用于高压、超高压的电力设备中[1]。SO2也是工业社会中占有较大比重的污染排放气体，随着我国越来越重视生态环保，排放标准日趋严格。针对SO2排放情况大多采用定期检测的方式，这种方式无法满足现有生态环保制度下的新需求。因此，实现SO2的精准在线检测势在必行[2]。
目前针对SO2气体浓度的检测技术方法大致可以分为3类，分别为红外光谱法、气相色谱法和电化学传感器法[3]。其中，电化学传感器法检测的特点是灵敏度较高，检测的响应速度快，目前应用较多；而红外光谱法的响应灵敏度较低，不适合实际的SO2浓度检测；采用气相色谱法的SO2浓度检测一般检测灵敏度较高、检测稳定性好，但是缺点也是十分明显的，需要检测的时间长，且分辨率较低，不适合大规模的带电现场检测[4]。光谱学理论是研究电磁辐射与物质相互作用的科学，光谱学与物质能量状态、物质分子的跃迁及跃迁的强度密切相关。通过研究物质结构与分子运动规律，可以解释光谱学规律；相反，通过光谱学的规律也可以揭示物质的结构与分子运动规律。电磁辐射与物质相互作用的过程不同，能量的传递方式也不同。根据原子或分子的特征吸收光谱来研究物质的结构和测定物质的化学成分的方法，称为吸收光谱分析[5]。
采用吸收光谱技术对气体成分进行检测和分析具有明显的优势，目前也广泛被用于气体浓度的灵敏、在线、连续、快速和非接触的监测中。因此，本论文基于吸收光谱技术，为提高SO2的检测精度，进一步融合光纤衰荡光谱技术，通过设计基于偏振光干涉、衰减振荡的气体传感器，实现SO2浓度的准确检测。
1 基于光纤Sagnac干涉衰荡腔的气体传感系统
1.1 基于光纤的Sagnac干涉计
基于HC-PCF光纤的Sagnac干涉计如图1所示。a，b，c，d为耦合器的4个端口，其中a为光信号的输入端口，b为光信号的输出端口。光信号从端口a输入后，经过耦合器会被分为2束逆向传播的光波，分别从端口c和端口d输出。如图1，从端口c输出的光传输方向为逆时针方向，从端口d输出的光传输方向为顺时针方向；同时，端口c的光束经保偏HC-PCF光纤传输到端口d，端口d的光束经保偏HC-PCF光纤传输到端口c。2束逆向光经过耦合器进行耦合后从端口b输出。端口c和端口d的2束光会产生相位差，但由于图1中的Sagnac环形结构具有互易性，并不会产生2束逆向光的相位差，因此2束逆向光的相位差仅仅产生于环形腔的保偏HC-PCF光纤结构中。
图1 Sagnac干涉计
如上所述，端口c和端口d的2束光为逆向光，当这2束传播路径相反的光在耦合器中进行耦合时会发生干涉现象，Sagnac干涉计的干涉谱如图2所示。2束光干涉后的光强Isagnac可由下式表示
图2 Sagnac干涉计的干涉谱
式中：B为偏振光纤的双折射系数；L为偏振光纤的长度；λ为输入光的波长。
基于上述的Sagnac干涉计，当干涉谱发生移动时，耦合器端口b的输出光的强度也会产生变化。
1.2 传感系统体系结构
基于光纤Sagnac干涉衰荡腔的气体传感系统结构如图3所示。其中，中间部分为Sagnac环气室，其主要由偏振空芯光子晶体光纤（HC-PCF）构成，HCPCF上面的多个微型孔可以保证待测气体进入纤芯；HC-PCF的两端与2个耦合器输出端进行连接，构成了Sagnac干涉计；Sagnac干涉计位于光纤衰荡腔内，当SO2在激光器泵浦光下产生温度变化时，偏振HCPCF中的偏振系数也将发生改变，进一步引起Sagnac干涉计的干涉谱平移，以及环形腔衰荡时间的变化[6]，因此，通过测量环形腔衰荡时间的变化即可实现SO2的检测。
图3 基于光纤Sagnac干涉衰荡腔的气体传感体系结构
1.3 光谱光热技术
当纤芯内注入待检测气体，激光器的泵浦光通过光纤时，泵浦光在偏振HC-PCF的作用下会产生一系列的变化，如图4所示。激光器泵浦光的波长与待检测气体的吸收峰具有重合性，当泵浦光通过待检测气体时，待检测气体对激光器的泵浦光具有很强的吸收特征。由于待检测气体吸收了一部分的光子能量，相应的引起待测气体密度、温度及折射率等物理特征发生变化，进而光纤的径向和横向均受到应力的作用。由于光纤横向和径向的应力作用，偏振HC-PCF的快慢轴的折射率差就会发生变化。
图4 光热光谱效应
设激光器泵浦光在光纤中传输z m距离后的光强度分布为
式中：Iq（z）为激光器泵浦光在传输z m后光纤中心点光的强度；Ppump（z）为激光器泵浦光的功率值；ω对应光纤的模场半径；r为到光中心点的距离。
待检测气体对泵浦光具有吸收性，导致光纤内待检测气体的折射率发生变化。折射率的变化可以表示为
由光纤内待测气体的折射率发生变化，引起的光相位的变化表示为
式中：γ为定值；Ppump为光纤中的平均泵浦光功率；A为损耗系数。
1.4 气体测量的灵敏度
设Ii为系统的入射光脉冲，I0为通过气势衰减后的光脉冲，则Ii与I0的关系可以表示为
式中：LS为整个气室的长度；α为特定波长吸收系数。通过上式可知，I0只与待测气体的浓度C有关。定义气体测量的灵敏度为输出光脉冲的变化量与待测气体浓度变化量的比值。假设待测气体的浓度C的变化量为ΔC，相应的输出光脉冲I0的变化量为ΔI0，可得
实际中，α和LS均小于1个单位，且当ΔC较小时，αΔCLS≤1，则上式可以进一步简化为
因此，可得气体测量的灵敏度γg为
由上式可知，γg值越大，则表示气体测量的灵敏度越高。系统灵敏度可以看成入射光脉冲Ii、吸收系数α和气室长度LS的函数。实际中，为实现更高精度的气体浓度检测，需要提高检测的灵敏度，由上式可知，适当提高入射光脉冲Ii的强度、增加气室LS的长度可以提高检测的灵敏度。
1.5 气体测量的分辨率
气体测量的分辨率即系统可以检测的最小浓度的变化量[7]。测定分辨率的理论方法为，在气室内待测气体量为0、输出光脉冲强度为I0下，逐步增加气室内待测气体的量，当检测到输出光脉冲强度Ii发生变化时，此时对应的气体浓度即系统气体测量的最小分辨率。最小的气体浓度变化量可以表示为
由于C趋于0，则上式可进一步简化为
由上式可知，ΔCmin越小，则表示系统的分辨率越高。分辨率可以看为输出光脉冲变化量ΔI0、吸收系数α和气室长度LS的函数。同理，为提高分辨率，可以提高入射光脉冲强度Ii和提高气室LS的长度。需要注意的是，增加气室LS的长度，则系统的体积将增大，这会给系统的封装带来新的挑战。实际系统设计过程中，当进行参数选择时，一般为减小ΔI0/Ii的值，根据灵敏度和分辨率的实际需求及系统的体积要求，确定合理的LS值。
2 SO2浓度计算方法
通过图1所示的系统可以对SO2气体进行检测和分析。基于光谱学理论可以计算SO2浓度，具体过程如下。
设光波长为λ，相应的入射光强度和出射光强度分别为Ii（λ）、I0（λ），基于比尔-朗伯特（Beer-Lambert）定律[8]，可得
式中：σ为待测SO2气体在波长λ处的吸收截面；N为SO2气体分子数。
在检测得到的吸收光谱上，随机截取相近的2个点，分别对应波长λ1和λ2，基于上式，可得
式中：Ii（λ1）=Ii（λ2），α1=α2，且N可以由下式计算
由此可知，当检测到SO2的吸收光谱后，在吸收光谱上选择临近2点，即可通过上述理论计算待测SO2气体的浓度。
3 SO2检测实验
本实验采用1 578.12 nm的可调谐半导体激光器，其电流-波长的可调谐范围约为1个nm。利用基于Sagnac干涉衰荡腔的气体检测系统对3种不同浓度的SO2气体依次进行检测。通过检测吸收光谱，并通过第二节中的理论，依次计算出SO2气体的浓度为10、18.8和31.2 ppm。图5为SO2气体浓度分别为10、18.8和31.2 ppm时的光谱衰荡曲线，由图可知，衰荡时间随着SO2浓度的增加而减小。图6给出了SO2浓度与衰荡时间关系，图6中的拟合曲线证明两者之间的关系为线性关系，拟合曲线的斜率为-2.1 μs/ppm。此传感检测系统可分辨的衰荡时间为1%，此系统可检测的最小SO2的浓度为0.1 ppm。
图5 不同浓度下的衰荡曲线
图6 不同SO2气体浓度下的衰荡时间
4 结论
本文首先分析了吸收光谱技术检测SO2气体的独特优势；然后，结合光纤衰荡光谱技术，利用光热原理与Sagnac干涉原理，设计出了基于偏振光干涉技术的SO2气体传感检测系统，并分析了系统的检测灵敏度与分辨率；最后，给出了SO2气体浓度的计算方法，实现了SO2气体的高灵敏度、高分辨率检测，该系统可检测的最小SO2的浓度为0.1 ppm。
