新型傳感器為低成本高靈敏度的甲烷測量鋪平了道路

圖1 研究人員已經開發出一種具有低成本優勢，基于帶間級聯發光二極管（ICLED）的低濃度甲烷新型傳感器。

研究人員已經開發出一種實用且低成本的新型甲烷傳感器。甲烷會導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都有重要意義。

普林斯頓大學的馬克·宗德洛（Mark Zondlo）說：“農業和工業生產會排放大量甲烷。出于對環境因素和經濟因素的考量，檢測甲烷泄漏對石油和天然氣行業也至關重要，因為天然氣主要由甲烷組成。”普林斯頓大學和美國的研究人員在美國光學學會（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發光二極管（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。帶間級聯發光二極管是一種新型的高功率發光二極管，能夠發出中紅外（IR）波長的光并用于測量多種化學物質。

該論文的第一作者內森·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，并能夠對氣候危機進行更準確和更廣泛的監測。”

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的甲烷氣體傳感器網絡來監測垃圾填埋場，石化設施，廢水處理或農場中的氣體泄漏，那成本將是十分昂貴的。

盡管已證明了使用中紅外發光二極管能夠實現甲烷檢測，但其性能受到低發光強度的限制。為了大幅提高靈敏度并開發出一種實用的甲烷監測系統，研究人員使用了美國研究實驗室杰里·邁耶（Jerry Meyer）團隊研發的新型帶間級聯發光二極管。

圖2 為了提高靈敏度，帶間級聯發光二極管發出的紅外光會穿過一根1米長包含樣本氣體的空心光纖。光纖的內部被鍍上了一層銀，當紅外光穿過光纖到達另一端的光電探測器(MCT)時，其在光纖中經過了反復反射。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：“我們開發的帶間級聯發光二極管的發光功率大約是市售中紅外發光二極管發光功率的十倍，并且有批量生產的可能性。這將使基于帶間級聯發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發光二極管的紅外光導入一根長1米含有待測空氣樣本的空心光纖。光纖內部鍍有一層銀，當紅外光穿過光纖到達另一端的光電探測器時，紅外光會經過多次反射，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節” 內森·李這樣說到，“然而空心光纖結構緊湊，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果進行比較。實驗證明，基于帶間級聯發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，與校準過的標準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測甲烷污染源附近的排放，”內森·李說。“通過安裝傳感器陣列可以測量大型設施的甲烷排放，使得運營商能夠以經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構設計，通過研究提高空心光纖機械穩定性的方法，從而使其能夠用于的現場測量。他們還將研究天氣條件、環境濕度和溫度變化對傳感系統的影響。大多數溫室氣體和許多其他化學物質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。

原文鏈接

撰稿：哈爾濱工業大學 原子岳 編譯

原創：光纖傳感Focus

海爾欣光電轉載

相關文獻鏈接

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