開發(fā)一種用于逸散性甲烷排放量化檢測的氣體傳感器

甲烷是地球大氣中僅次于水蒸氣和二氧化碳的第三大溫室氣體，由于人類活動，其濃度一直在穩(wěn)步增加。減少甲烷排放至關重要，因為甲烷對當前全球變暖的貢獻約為25%。目前已開發(fā)了許多傳感技術來減少甲烷排放。

吸收光譜可以在多種系統(tǒng)中提供定量、非侵入式的氣體測量。目前已經開發(fā)出許多激光吸收傳感器用于氣體傳感應用中的甲烷檢測。這些傳感器是針對甲烷吸收光譜的中紅外和近紅外區(qū)域開發(fā)的。直接吸收和光聲技術已被用于開發(fā)大氣甲烷傳感器，這種傳感器使用分布反饋式（DFB）二極管激光器，其工作在1.6 μm附近的近紅外波段（對應于甲烷的2v?帶）。

基于非線性光學的差頻產生（DFG）系統(tǒng)非常復雜且功率低。量子級聯(lián)激光器（QCL）和帶間級聯(lián)激光器（ICL）更加具有緊湊性、魯棒性和用戶友好性，并在甲烷檢測方面受到了廣泛關注。然而，以前的傳感策略并沒有設計成在存在來自其他物質的強烈吸收干擾的情況下檢測甲烷。

據麥姆斯咨詢報道，近日，沙特阿卜杜拉國王科技大學（King Abdullah University of Science and Technology，KAUST）開發(fā)了一種基于中紅外激光器的氣體傳感器，用于逸散性甲烷排放的量化檢測。該傳感器是基于工作在3.3μm附近的分布式反饋帶間級聯(lián)激光器設計的。利用倒譜分析進行波長調諧，以將甲烷吸光度與（1）基線激光強度的波動和（2）干擾物質的吸光度區(qū)分開。該傳感器的最低檢測限（MDL）約為?110 ppm，這可以通過光學腔來改善。所提出的傳感策略可用于在惡劣環(huán)境中以及在環(huán)境監(jiān)測應用中存在干擾物質的情況下測量甲烷泄漏。

在本研究中，所開發(fā)的氣體傳感器使用了分布式反饋帶間級聯(lián)激光器，發(fā)射波長接近3.3 μm，輸出功率約為?1 mW。兩個ZnSe窗口安裝在10 cm的氣體采樣室上。傳輸信號由DC耦合的TE冷卻光電探測器收集。通過1kHz掃描速率下激光注入電流的線性斜坡將激光波長調諧在3037-3039.5 cm?1范圍內，并使用7.62 cm鍺法布里-珀羅標準具將掃描時間轉換為頻率（波數(shù)）。

甲烷傳感器的光學示意圖

研究人員使用改進的自由感應衰減（m-FID）信號從測量的透射激光強度中推測甲烷濃度。在倒譜分析中，大多數(shù)分子響應都不受基線強度的影響。m-FID信號未受影響的部分可以通過最小二乘法擬合到已知模型，以獲得氣體濃度。

流程圖：m-FID信號的最小二乘擬合以推測甲烷濃度

研究人員對空氣中甲烷和苯的各種混合物進行了測量。通過仔細選擇掃描指數(shù)（激光調諧范圍與光譜線寬之比）以及m-FID信號擬合的初始和結束時間，可以在具有代表性的干擾物質苯的存在下對甲烷進行精確測量。所開發(fā)的傳感器在T=23℃和P=1 atm時的MDL約為110 ppm，可用于測量環(huán)境條件下的甲烷濃度。通過使用更長的光學單元、多通道單元或光學腔來增加激光路徑長度，可將MDL降低幾個數(shù)量級。

通過m-FID方法和傳統(tǒng)方法測量的甲烷濃度的比較。在實驗條件下，最低檢測限為110ppm。

基于吸收光譜的激光傳感器已被開發(fā)用于無干擾和無基線的甲烷濃度測量。該技術使用倒譜分析生成m-FID信號，能夠將甲烷吸光度與苯吸光度和基線激光強度分離開來。激光器在2.5 cm?1范圍內調諧，掃描指數(shù)約為10，透射的激光強度與時域中模擬的甲烷吸收信號進行最小二乘擬合，以推測甲烷濃度。擬合窗口被限制在10-70 ps，以避免干擾和基線強度的影響。在T=23℃和P=1 atm時，該傳感器的最低檢測限約為110 ppm，可用于測量環(huán)境條件下的甲烷濃度。在惡劣環(huán)境中，該技術大大減少了基線強度校正的需要，其可能會引入顯著的誤差，并且該技術還充分考慮了寬帶吸收干擾。

審核編輯：劉清