郭继坤， 赵肖东， 马鹏飞

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，哈尔滨150022)

0 引 言

在煤炭和石油开采的过程中，常有瓦斯气体溢出。瓦斯气体的主要成分是甲烷，甲烷是一种易燃易爆的气体，在有限的空间里达到一定的比例就会引起爆炸。尤其在矿井下，能够有效准确地检测甲烷气体的浓度，可以减少矿难的发生。目前，煤矿常见的气体浓度检测方法较多，如安全灯法、热传导法、红外光谱吸收法、光干涉法、气敏半导体法以及催化燃烧法等［1－3］，诸多方法均有各自的不足之处。鉴于此，笔者研究了光纤环衰荡腔光谱吸收方法，设计光纤甲烷传感系统，解决以往传感器灵敏度不高、测量速度慢、检测范围小和柔性不好等问题。

1 衰荡腔光谱甲烷气体吸收原理

衰荡腔光谱［4］(cavity ring －down spectroscopy，CRDS)吸收法是一种高灵敏的光谱吸收技术，其基本原理如图1 所示。

图1 衰荡腔光谱示意Fig．1 Schematic diagram of cavity ring-down spectroscopy

衰荡腔由两块性能稳定的高反射镜组成，一束脉冲激光经由第一片反射镜进入光衰荡腔内后，在两块反射镜间来回发射，由于透射作用每次反射都有激光从另一端的腔镜透射出去，同时腔体内部也有损耗，使从腔体内透射出来的光强逐渐减弱，在光的透出端使用高灵敏度的光电探测仪接收腔体内部漏出的光信号。如果激光输出的脉冲周期远大于光子在腔内的振荡时间，并且光电探测器的响应时间足够快，就会得到一个脉冲序列。脉冲序列的强度峰值变化随时间增长呈指数衰减［5－6］。……