圖1 研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種具有低成本優(yōu)勢(shì)，基于帶間級(jí)聯(lián)發(fā)光二極管（ICLED）的低濃度甲烷新型傳感器。

研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種實(shí)用且低成本的新型甲烷傳感器。甲烷會(huì)導(dǎo)致全球變暖和空氣污染，因此測(cè)量甲烷的排放量和泄漏量對(duì)許多行業(yè)都有重要意義。

普林斯頓大學(xué)的馬克·宗德洛（Mark Zondlo）說(shuō)：“農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)會(huì)排放大量甲烷。出于對(duì)環(huán)境因素和經(jīng)濟(jì)因素的考量，檢測(cè)甲烷泄漏對(duì)石油和天然氣行業(yè)也至關(guān)重要，因?yàn)樘烊粴庵饕杉淄榻M成。”普林斯頓大學(xué)和美國(guó)的研究人員在美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）主辦的Optics Express上，他們提出的新型氣體傳感器。該傳感器用帶間級(jí)聯(lián)發(fā)光二極管（Interband cascade light emitting device，ICLED）成功檢測(cè)了濃度僅為千萬(wàn)分之一的甲烷氣體。帶間級(jí)聯(lián)發(fā)光二極管是一種新型的高功率發(fā)光二極管，能夠發(fā)出中紅外（IR）波長(zhǎng)的光并用于測(cè)量多種化學(xué)物質(zhì)。

該論文的第一作者內(nèi)森·李（Nathan Li）這樣說(shuō)到：“我們希望這項(xiàng)研究能夠?yàn)橹谱鞯统杀?、高靈敏度和高準(zhǔn)確性的甲烷傳感器指明方向。這些傳感器可以用來(lái)檢測(cè)牲畜和奶牛場(chǎng)的甲烷排放，并能夠?qū)夂蛭C(jī)進(jìn)行更準(zhǔn)確和更廣泛的監(jiān)測(cè)。”

建立一個(gè)便宜的傳感器

目前，基于激光測(cè)量方法的甲烷氣體傳感器擁有很高的測(cè)量精度，但是每個(gè)傳感器的成本在10,000美元至100,000美元之間。如果使用基于激光技術(shù)的甲烷氣體傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)測(cè)垃圾填埋場(chǎng)，石化設(shè)施，廢水處理或農(nóng)場(chǎng)中的氣體泄漏，那成本將是十分昂貴的。

盡管已證明了使用中紅外發(fā)光二極管能夠?qū)崿F(xiàn)甲烷檢測(cè)，但其性能受到低發(fā)光強(qiáng)度的限制。為了大幅提高靈敏度并開(kāi)發(fā)出一種實(shí)用的甲烷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究人員使用了美國(guó)研究實(shí)驗(yàn)室杰里·邁耶（Jerry Meyer）團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型帶間級(jí)聯(lián)發(fā)光二極管。

圖2 為了提高靈敏度，帶間級(jí)聯(lián)發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光會(huì)穿過(guò)一根1米長(zhǎng)包含樣本氣體的空心光纖。光纖的內(nèi)部被鍍上了一層銀，當(dāng)紅外光穿過(guò)光纖到達(dá)另一端的光電探測(cè)器(MCT)時(shí)，其在光纖中經(jīng)過(guò)了反復(fù)反射。這加大了光與甲烷分子的相互作用，從而提高了光的吸收度。

邁耶（Meyer）接著說(shuō)：“我們開(kāi)發(fā)的帶間級(jí)聯(lián)發(fā)光二極管的發(fā)光功率大約是市售中紅外發(fā)光二極管發(fā)光功率的十倍，并且有批量生產(chǎn)的可能性。這將使基于帶間級(jí)聯(lián)發(fā)光二極管的每個(gè)傳感器diyu100美元。”

為了測(cè)量甲烷氣體，這種新型傳感器需要對(duì)比分析紅外光傳輸不含甲烷空氣和含甲烷空氣兩種情況之后的光譜特性來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感。同時(shí)，為了提高靈敏度，研究人員將來(lái)自高功率帶間級(jí)聯(lián)發(fā)光二極管的紅外光導(dǎo)入一根長(zhǎng)1米含有待測(cè)空氣樣本的空心光纖。光纖內(nèi)部鍍有一層銀，當(dāng)紅外光穿過(guò)光纖到達(dá)另一端的光電探測(cè)器時(shí)，紅外光會(huì)經(jīng)過(guò)多次反射，這使得光與空氣中其他的甲烷分子相互作用，從而提高了光的吸收效果。

“鍍銀面用于來(lái)回反射紅外光以提高傳感器的靈敏度，但這種裝置通常體積龐大并且需要調(diào)節(jié)” 內(nèi)森·李這樣說(shuō)到，“然而空心光纖結(jié)構(gòu)緊湊，需要的樣品氣體體積小，而且具有機(jī)械靈活性。”

傳感器的測(cè)量極限

為了測(cè)試這種傳感器的傳感性能，研究人員將已知濃度的甲烷注入空心光纖，并將測(cè)量所得樣品的紅外傳輸特性的激光傳感器所得測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)證明，基于帶間級(jí)聯(lián)發(fā)光二極管的傳感器能夠檢測(cè)到低至千萬(wàn)分之一濃度的甲烷，與校準(zhǔn)過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)值和激光傳感器的測(cè)量值具有良好的一致性。

“這種傳感器的精度水平足以監(jiān)測(cè)甲烷污染源附近的排放，”內(nèi)森·李說(shuō)。“通過(guò)安裝傳感器陣列可以測(cè)量大型設(shè)施的甲烷排放，使得運(yùn)營(yíng)商能夠以經(jīng)濟(jì)和快速的方式檢測(cè)甲烷泄露。”

研究人員計(jì)劃進(jìn)一步提高傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)研究提高空心光纖機(jī)械穩(wěn)定性的方法，從而使其能夠用于的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。他們還將研究天氣條件、環(huán)境濕度和溫度變化對(duì)傳感系統(tǒng)的影響。大多數(shù)溫室氣體和許多其他化學(xué)物質(zhì)可以通過(guò)中紅外光線來(lái)識(shí)別，因此，該甲烷傳感器也可以用來(lái)檢測(cè)其他重要的氣體。

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撰稿：哈爾濱工業(yè)大學(xué) 原子岳 編譯

原創(chuàng)：光纖傳感Focus

海爾欣光電轉(zhuǎn)載

相關(guān)文獻(xiàn)鏈接

Nathan Li et al. Methane detection using an interband-cascade LED coupled to a hollow-core fiber, Optics Express (2021). DOI: 10.1364/OE.415724