美國美國研究出濃度0.1ppm的甲烷氣體傳感器技術(shù)
日期：2022-04-29
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全球的甲烷的排放和泄漏，導(dǎo)致全球加速變暖，對人類生產(chǎn)生活及自然環(huán)境都有影響，因此甲烷氣體濃度的檢測成為大家所關(guān)注的焦點。2021年2月24日，普林斯頓大學(xué)和美國海軍研究實驗室的研究人員發(fā)布了一種氣體傳感器技術(shù)，該技術(shù)能夠檢測出非常低的甲烷氣體濃度，其濃度低至0.1ppm（百萬分之一）。
新開發(fā)的氣體傳感器使用帶間級聯(lián)發(fā)光器件（ICLED），這是一種較高功率的LED，可發(fā)出中紅外波長，這意味著它可用于測量許多化學(xué)物質(zhì)。由美國海軍研究實驗室的杰里·邁耶（Jerry Meyer）團隊開發(fā)的研究人員版本發(fā)射的功率比市售中紅外LED產(chǎn)生的功率大約大10倍。
為了獲得甲烷的測量值，該傳感器可測量通過沒有甲烷的清潔空氣傳輸?shù)募t外光，并將該測量結(jié)果與通過包含甲烷的空氣的傳輸進行比較。研究人員將來自ICLED的紅外光通過一根空心纖維發(fā)送，該纖維包含空氣樣本。纖維的內(nèi)部鍍銀。當(dāng)光沿著光纖向下傳播到位于另一端的光電探測器時，這會導(dǎo)致光在其內(nèi)表面反射。光與空氣中存在的其他甲烷分子發(fā)生相互作用，從而導(dǎo)致更高水平的光吸收。
在其他架構(gòu)中，鏡子通常用于反復(fù)地來回反射光線，以提高傳感器的靈敏度。該論文的第一作者內(nèi)森·李（Nathan Li）說，光纖的設(shè)計繞開了鏡子的使用，鏡子可能體積龐大且需要精確對準(zhǔn)。他說：“空心纖維非常緊湊，需要的樣品氣體量少，并且具有機械柔韌性。”
該設(shè)計還為常用的基于激光的傳感器提供了替代方案。這些傳感器是有效的甲烷檢測器，但價格昂貴——尤其是作為網(wǎng)絡(luò)的一部分時，例如檢測垃圾填埋場，廢水處理廠或農(nóng)場中的泄漏所需要的傳感器。
為了測試他們的裝置，研究人員將已知濃度的甲烷引入光纖，并將樣品的紅外透射率與基于激光的傳感器進行了比較。除了檢測到低至0.1ppm的濃度外，研究人員的傳感器還顯示出與校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)品和基于激光的傳感器的出色一致性。
為了提高靈敏度，大功率ICLED發(fā)出的紅外光穿過包含空氣樣本的1米長的中空光纖。光纖的內(nèi)部鍍有銀，當(dāng)光向下傳播到另一端的光電探測器時，這會使光從內(nèi)表面反射出去。這允許光與空氣中的其他甲烷分子相互作用，從而導(dǎo)致更高的光吸收率。由普林斯頓大學(xué)的Nathan Li提供。
“這種精確水平足以監(jiān)測甲烷污染源附近的排放。”Nathan Li說道：“可以在大型設(shè)施中安裝一系列這樣的傳感器來測量甲烷的排放，從而使操作員能夠經(jīng)濟地，迅速地檢測到泄漏并減輕泄漏。”
研究人員計劃嘗試提高設(shè)備中空纖維組件的機械穩(wěn)定性，從而提高傳感器在長期現(xiàn)場測量中的實用性。他們還將研究極端天氣條件以及環(huán)境濕度和溫度的變化如何影響系統(tǒng)。
研究人員說，由于可以使用中紅外光識別大多數(shù)溫室氣體和許多其他化學(xué)物質(zhì)，因此用戶可以采用這種氣體傳感器技術(shù)來檢測其他重要氣體。
