圖1 研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種具有低成本優(yōu)勢，基于帶間級聯(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)開發(fā)出一種實用且低成本的新型甲烷傳感器。甲烷會導(dǎo)致全球變暖和空氣污染，因此測量甲烷的排放量和泄漏量對許多行業(yè)都有重要意義。

普林斯頓大學(xué)的馬克·宗德洛（Mark Zondlo）說：“農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)會排放大量甲烷。出于對環(huán)境因素和經(jīng)濟因素的考量，檢測甲烷泄漏對石油和天然氣行業(yè)也至關(guān)重要，因為天然氣主要由甲烷組成。”普林斯頓大學(xué)和美國的研究人員在美國光學(xué)學(xué)會（OSA）主辦的Optics Express上，他們提出的新型氣體傳感器。該傳感器用帶間級聯(lián)發(fā)光二極管（Interband cascade light emitting device，ICLED）成功檢測了濃度僅為千萬分之一的甲烷氣體。帶間級聯(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）波長的光并用于測量多種化學(xué)物質(zhì)。

該論文的第一作者內(nèi)森·李（Nathan Li）這樣說到：“我們希望這項研究能夠為制作低成本、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檢測牲畜和奶牛場的甲烷排放，并能夠?qū)夂蛭C進行更準(zhǔn)確和更廣泛的監(jiān)測。”

建立一個便宜的傳感器

目前，基于激光測量方法的甲烷氣體傳感器擁有很高的測量精度，但是每個傳感器的成本在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)來監(jiān)測垃圾填埋場，石化設(shè)施，廢水處理或農(nóng)場中的氣體泄漏，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，但其性能受到低發(fā)光強度的限制。為了大幅提高靈敏度并開發(fā)出一種實用的甲烷監(jiān)測系統(tǒng)，研究人員使用了美國研究實驗室杰里·邁耶（Jerry Meyer）團隊研發(fā)的新型帶間級聯(lián)發(fā)光二極管。

圖2 為了提高靈敏度，帶間級聯(lián)發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光會穿過一根1米長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)紅外光穿過光纖到達另一端的光電探測器(MCT)時，其在光纖中經(jīng)過了反復(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：“我們開發(fā)的帶間級聯(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。這將使基于帶間級聯(lián)發(fā)光二極管的每個傳感器diyu100美元。”

為了測量甲烷氣體，這種新型傳感器需要對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實現(xiàn)傳感。同時，為了提高靈敏度，研究人員將來自高功率帶間級聯(lián)發(fā)光二極管的紅外光導(dǎo)入一根長1米含有待測空氣樣本的空心光纖。光纖內(nèi)部鍍有一層銀，當(dāng)紅外光穿過光纖到達另一端的光電探測器時，紅外光會經(jīng)過多次反射，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，而且具有機械靈活性。”

傳感器的測量極限

為了測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，并將測量所得樣品的紅外傳輸特性的激光傳感器所得測量結(jié)果進行比較。實驗證明，基于帶間級聯(lián)發(fā)光二極管的傳感器能夠檢測到低至千萬分之一濃度的甲烷，與校準(zhǔn)過的標(biāo)準(zhǔn)值和激光傳感器的測量值具有良好的一致性。

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

研究人員計劃進一步提高傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過研究提高空心光纖機械穩(wěn)定性的方法，從而使其能夠用于的現(xiàn)場測量。他們還將研究天氣條件、環(huán)境濕度和溫度變化對傳感系統(tǒng)的影響。大多數(shù)溫室氣體和許多其他化學(xué)物質(zhì)可以通過中紅外光線來識別，因此，該甲烷傳感器也可以用來檢測其他重要的氣體。

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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