2021年2月24日，普林斯頓大學(xué)和美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)布了一種氣體傳感器技術(shù)，該技術(shù)能夠檢測(cè)出非常低的甲烷氣體濃度，其濃度低至0.1ppm（百萬(wàn)分之一）。

甲烷的排放和泄漏，不利于空氣質(zhì)量，是導(dǎo)致全球變暖的原因，對(duì)許多行業(yè)和應(yīng)用都有影響。農(nóng)業(yè)、廢物/廢物管理以及石油和天然氣行業(yè)始終需要檢測(cè)大量甲烷氣體。

新開(kāi)發(fā)的氣體傳感器使用帶間級(jí)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(zhǎng)，這意味著它可用于測(cè)量許多化學(xué)物質(zhì)。由美國(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。邁耶說(shuō)，這些器件有可能批量生產(chǎn)，這意味著該團(tuán)隊(duì)在最近的工作中，邁向了基于ICLED的氣體傳感器的開(kāi)發(fā)，該傳感器的成本不到100美元。

為了獲得甲烷的測(cè)量值，該傳感器可測(cè)量通過(guò)沒(méi)有甲烷的清潔空氣傳輸?shù)?a target="_blank">紅外光，并將該測(cè)量結(jié)果與通過(guò)包含甲烷的空氣的傳輸進(jìn)行比較。研究人員將來(lái)自ICLED的紅外光通過(guò)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(cè)器時(shí)，這會(huì)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。

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），并且可以對(duì)低成本的低濃度甲烷進(jìn)行實(shí)用且低成本的檢測(cè)。由Sameer A. Khan通過(guò)Fotobuddy提供。

在其他架構(gòu)中，鏡子通常用于反復(fù)地來(lái)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(shuō)，光纖的設(shè)計(jì)繞開(kāi)了鏡子的使用，鏡子可能體積龐大且需要精確對(duì)準(zhǔn)。他說(shuō)：“空心纖維非常緊湊，需要的樣品氣體量少，并且具有機(jī)械柔韌性。”

該設(shè)計(jì)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(cè)器，但價(jià)格昂貴——尤其是作為網(wǎng)絡(luò)的一部分時(shí)，例如檢測(cè)垃圾填埋場(chǎng)，廢水處理廠或農(nóng)場(chǎng)中的泄漏所需要的傳感器。

為了測(cè)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(jìn)行了比較。除了檢測(cè)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(guò)包含空氣樣本的1米長(zhǎng)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(cè)器時(shí)，這會(huì)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(cè)甲烷污染源附近的排放。”Nathan Li說(shuō)道：“可以在大型設(shè)施中安裝一系列這樣的傳感器來(lái)測(cè)量甲烷的排放，從而使操作員能夠經(jīng)濟(jì)地，迅速地檢測(cè)到泄漏并減輕泄漏。”

研究人員計(jì)劃嘗試提高設(shè)備中空纖維組件的機(jī)械穩(wěn)定性，從而提高傳感器在長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中的實(shí)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(shuō)，由于可以使用中紅外光識(shí)別大多數(shù)溫室氣體和許多其他化學(xué)物質(zhì)，因此用戶(hù)可以采用這種氣體傳感器技術(shù)來(lái)檢測(cè)其他重要?dú)怏w。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《光學(xué)快報(bào)》上。

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