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新型传感器为低成本的敏感甲烷测量铺平了道路
来源:赛斯维传感器网 发表于 2021/3/12

研究人员已经开发出一种新的传感器,该传感器使用带间级联发光器件(icled),可以对低浓度的甲烷进行实用且低成本的检测。


研究人员已经开发出一种新型传感器,可以对低浓度的甲烷气体进行实用且低成本的检测。测量甲烷的排放量和泄漏量对许多行业都很重要,因为气体会导致全球变暖和空气污染。


普林斯顿大学研究小组负责人马克·宗德洛(mark zondlo)说:“农业和废物工业排放大量甲烷。” “由于环境和经济原因,检测甲烷泄漏对石油和天然气行业也至关重要,因为天然气主要由甲烷组成。”


在光学学会(osa)杂志光学快报,从普林斯顿大学和美国海军研究实验室的研究人员展示他们的新的气体传感器,它采用了带间级联光发射装置(icled)来检测甲烷浓度低至百万分之0.1。icled是一种新型的高功率led,它发出中红外(ir)波长的光,可用于测量许多化学物质。


该论文的第一作者内森·李说:“我们希望这项研究最终将为低成本,准确和敏感的甲烷测量打开大门。” “这些传感器可以用来更好地了解牲畜和奶牛场的甲烷排放,并能够更准确,更广泛地监测气候危机。”


建立一个便宜的传感器

目前,基于激光的传感器是甲烷检测的黄金标准,但每个传感器的成本在10,000美元至100,000美元之间。使用基于激光的传感器来实现掩埋,石化设施,废水处理厂或农场中的泄漏的传感器网络的实施成本将过高。


尽管已使用中红外led证明了甲烷检测功能,但性能受到可用设备产生的低光强度的限制。为了大幅提高灵敏度并开发一种实用的甲烷监测系统,研究人员使用了美国海军研究实验室的杰里·迈耶(jerry meyer)团队开发的新型icled。


为了提高灵敏度,大功率icled发出的红外光穿过包含空气样本的1米长的空心光纤。光纤的内部镀有银,当光沿光纤向下传播到另一端的光电探测器(用于hgcdte探测器的mct)时,这会使光从其表面反射出去。这允许光与空气中的其他甲烷分子相互作用,从而导致更高的光吸收率。图片来源:普林斯顿大学李娜森(nathan li)


迈耶说:“我们开发的icled发射的功率大约是市售中红外led产生的功率的十倍,并且有可能批量生产。” “这将使基于icled的传感器的价格低于每个传感器100美元。”


为了测量甲烷,新传感器测量了在没有甲烷的情况下通过清洁空气传输的红外光,并将其与通过含甲烷的空气进行传输的红外光进行了比较。为了提高灵敏度,研究人员将高功率icled发出的红外光通过一条长1米的包含空气样本的空心光纤。光纤的内部镀有银,当光沿着光纤向下传播到另一端的光电探测器时,这会使光从其表面反射出去。这允许光与空气中的其他甲烷分子相互作用,从而导致更高的光吸收率。


李说:“反射镜通常用于多次来回反射光,以提高传感器的灵敏度,但体积很大,需要精确对准。” “空心纤芯纤维紧凑,需要少量的样气,并且具有机械柔韧性。”


最多可测量基于激光的传感器

为了测试这种新传感器,研究人员将已知浓度的甲烷流入空心纤维,并将样品的红外透射率与基于激光的最新传感器进行了比较。icled传感器能够检测到低至百万分之0.1的浓度,同时与校准的标准液和基于激光的传感器显示出极好的一致性。


李说:“这种精确度足以监测甲烷污染源附近的排放。” “可以安装这些传感器的阵列来测量大型设施中的甲烷排放量,从而使操作员能够负担得起,迅速地检测到泄漏并减轻泄漏。”


研究人员计划通过研究提高中空纤维机械稳定性的方法来改进传感器的设计,使其可用于长期现场测量。他们还将研究极端天气条件以及环境湿度和温度的变化如何影响系统。由于可以通过使用中红外光来识别大多数温室气体和许多其他化学物质,因此甲烷传感器也可以适用于检测其他重要气体。


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