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新型傳感器為低成本的敏感甲烷測(cè)量鋪平了道路
來(lái)源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2021/3/12

研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新的傳感器,該傳感器使用帶間級(jí)聯(lián)發(fā)光器件(ICLED),可以對(duì)低濃度的甲烷進(jìn)行實(shí)用且低成本的檢測(cè)。


研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新型傳感器,可以對(duì)低濃度的甲烷氣體進(jìn)行實(shí)用且低成本的檢測(cè)。測(cè)量甲烷的排放量和泄漏量對(duì)許多行業(yè)都很重要,因?yàn)闅怏w會(huì)導(dǎo)致全球變暖和空氣污染。


普林斯頓大學(xué)研究小組負(fù)責(zé)人馬克·宗德洛(Mark Zondlo)說(shuō):“農(nóng)業(yè)和廢物工業(yè)排放大量甲烷! “由于環(huán)境和經(jīng)濟(jì)原因,檢測(cè)甲烷泄漏對(duì)石油和天然氣行業(yè)也至關(guān)重要,因?yàn)樘烊粴庵饕杉淄榻M成!


在光學(xué)學(xué)會(huì)(OSA)雜志光學(xué)快報(bào),從普林斯頓大學(xué)和美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員展示他們的新的氣體傳感器,它采用了帶間級(jí)聯(lián)光發(fā)射裝置(ICLED)來(lái)檢測(cè)甲烷濃度低至百萬(wàn)分之0.1。ICLED是一種新型的高功率LED,它發(fā)出中紅外(IR)波長(zhǎng)的光,可用于測(cè)量許多化學(xué)物質(zhì)。


該論文的第一作者內(nèi)森·李說(shuō):“我們希望這項(xiàng)研究最終將為低成本,準(zhǔn)確和敏感的甲烷測(cè)量打開(kāi)大門(mén)! “這些傳感器可以用來(lái)更好地了解牲畜和奶牛場(chǎng)的甲烷排放,并能夠更準(zhǔn)確,更廣泛地監(jiān)測(cè)氣候危機(jī)!


建立一個(gè)便宜的傳感器

目前,基于激光的傳感器是甲烷檢測(cè)的黃金標(biāo)準(zhǔn),但每個(gè)傳感器的成本在10,000美元至100,000美元之間。使用基于激光的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)掩埋,石化設(shè)施,廢水處理廠或農(nóng)場(chǎng)中的泄漏的傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施成本將過(guò)高。


盡管已使用中紅外LED證明了甲烷檢測(cè)功能,但性能受到可用設(shè)備產(chǎn)生的低光強(qiáng)度的限制。為了大幅提高靈敏度并開(kāi)發(fā)一種實(shí)用的甲烷監(jiān)測(cè)系統(tǒng),研究人員使用了美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的杰里·邁耶(Jerry Meyer)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的新型ICLED。


為了提高靈敏度,大功率ICLED發(fā)出的紅外光穿過(guò)包含空氣樣本的1米長(zhǎng)的空心光纖。光纖的內(nèi)部鍍有銀,當(dāng)光沿光纖向下傳播到另一端的光電探測(cè)器(用于HgCdTe探測(cè)器的MCT)時(shí),這會(huì)使光從其表面反射出去。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。圖片來(lái)源:普林斯頓大學(xué)李娜森(Nathan Li)


邁耶說(shuō):“我們開(kāi)發(fā)的ICLED發(fā)射的功率大約是市售中紅外LED產(chǎn)生的功率的十倍,并且有可能批量生產(chǎn)! “這將使基于ICLED的傳感器的價(jià)格低于每個(gè)傳感器100美元!


為了測(cè)量甲烷,新傳感器測(cè)量了在沒(méi)有甲烷的情況下通過(guò)清潔空氣傳輸?shù)募t外光,并將其與通過(guò)含甲烷的空氣進(jìn)行傳輸?shù)募t外光進(jìn)行了比較。為了提高靈敏度,研究人員將高功率ICLED發(fā)出的紅外光通過(guò)一條長(zhǎng)1米的包含空氣樣本的空心光纖。光纖的內(nèi)部鍍有銀,當(dāng)光沿著光纖向下傳播到另一端的光電探測(cè)器時(shí),這會(huì)使光從其表面反射出去。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。


李說(shuō):“反射鏡通常用于多次來(lái)回反射光,以提高傳感器的靈敏度,但體積很大,需要精確對(duì)準(zhǔn)。” “空心纖芯纖維緊湊,需要少量的樣氣,并且具有機(jī)械柔韌性!


最多可測(cè)量基于激光的傳感器

為了測(cè)試這種新傳感器,研究人員將已知濃度的甲烷流入空心纖維,并將樣品的紅外透射率與基于激光的最新傳感器進(jìn)行了比較。ICLED傳感器能夠檢測(cè)到低至百萬(wàn)分之0.1的濃度,同時(shí)與校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)液和基于激光的傳感器顯示出極好的一致性。


李說(shuō):“這種精確度足以監(jiān)測(cè)甲烷污染源附近的排放! “可以安裝這些傳感器的陣列來(lái)測(cè)量大型設(shè)施中的甲烷排放量,從而使操作員能夠負(fù)擔(dān)得起,迅速地檢測(cè)到泄漏并減輕泄漏!


研究人員計(jì)劃通過(guò)研究提高中空纖維機(jī)械穩(wěn)定性的方法來(lái)改進(jìn)傳感器的設(shè)計(jì),使其可用于長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。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)。由于可以通過(guò)使用中紅外光來(lái)識(shí)別大多數(shù)溫室氣體和許多其他化學(xué)物質(zhì),因此甲烷傳感器也可以適用于檢測(cè)其他重要?dú)怏w。


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