ICLED驱动的传感器器件用于低成本甲烷检测

来自普林斯顿大学和美国海军研究实验室（U.S. Naval Research Laboratory）的研究人员合作展示了气体传感器技术，它能够探测到非常低浓度的甲烷气体，其浓度低至0.1ppm（百万分之一）。甲烷的排放和泄漏对空气质量有害，也是全球变暖的一个因素，对许多行业和应用都造成影响。农业、废物管理以及石油和天然气工业都是始终需要检测甲烷气体含量的行业。新开发的传感器使用带间级联光发射器件（ICLED），这是一种高功率 LED在中红外波长范围内发射，这意味着它可以用来测量许多化学品。这些传感器产品由美国海军研究实验室Jerry Meyer的团队开发，其发射功率大约比商用的中型IR LED多出10倍。Meyer说，这些器件有可能大规模生产，这意味着该团队在在开发基于 ICLED的传感器方面取得了巨大进步，每个器件的成本不到100美元。

为了测量甲烷含量，传感器测量在没有甲烷的清洁空气中传播的红外光，并将测量结果与通过含有甲烷的空气传播进行比较。从ICLED发出的红外光通过长度小于40英寸（1米）的空心光纤，光纤内部含有空气样本。光纤的内部涂有银涂层。光线沿着光纤向位于另一端的光检测器传播时，会反射回其内部表面。光与空气中存在的甲烷分子相互作用，从而显著吸收红外光。

研究人员已经开发出一种新型传感器，它使用带间级联发光器件（ICLED），可以实用、低成本的方式检测低浓度甲烷。Sameer A. Khan通过Fotobuddy供图。

通常来说，镜面用于其它的光学结构中，用于来回反复的反射光线，以提高传感器灵敏度。描述这种传感器的论文第一作者Nathan Li说，光纤设计绕过了对镜面的使用，镜面可能比较笨重，而且需要精确对齐。"空心光纤结构紧凑，需要比较少的样品气体，并且具有机械灵活性，"他说。这个设计还提供了常用激光传感器的替代方案。这些传感器是有效的甲烷探测器，但它们可能非常昂贵，尤其是作为网络的一部分，例如检测在垃圾填埋场、污水处理厂或农场的泄漏方面。为了测试他们的器件，研究人员将已知浓度的甲烷引入光纤中，并将样品的红外传输与激光传感器进行比较。除了检测低至0.1ppm的浓度外，传感器的性能与校准过的测试标准和激光传感器都表现出了极好的一致性。

为了提高灵敏度，来自大功率ICLED的红外光穿过含有空气样本的1米长的空芯光纤。纤维的内部涂有银层，当光线沿着它传到另一端的光检测器时，这会导致光线从内部表面反射出来。这使得光与空气中甲烷的分子相互作用，从而对光的吸收水平更高。普林斯顿大学Nathan Li供图。

"这种精度水平足以监测甲烷污染源附近的排放，" Li说。"我们可以安装一系列传感器来测量大型设施的甲烷排放。这使得操作员能够负担得起并快速检测甲烷泄漏并减轻泄漏。" 研究人员计划尝试提高空芯光纤部件的机械稳定性，提高传感器长期现场测量的实用性。他们还将研究极端天气条件，环境湿度和温度的变化如何影响这个系统。研究人员说，由于大多数温室气体和许多其它化学物质可以使用中红外技术识别，用户可以调整特定甲烷气体的传感器以检测其它重要气体。

这项研究成果发表在《Optics Express》上。(www.doi.org/10.1364/OE.415724).