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評價一款傳感器是否優秀，不應簡單羅列技術參數。沒有最好，只有最適合。應該綜合考量測量范圍、準確度、響應時間、功耗和環境適應性等參數，找到最關鍵的指標。

那么，安裝在窨井里的甲烷傳感器需要什么樣的特質呢？與安裝在地上環境的甲烷報警器有什么區別？

窨井遍布城市的各個角落，從地理位置上講極其復雜多樣，無供電條件，安裝維護工作困難。而且它是一個地下封閉環境，濕度常年接近飽和，且早晚溫差較大，容易產生冷凝結露現象；尤其是在雨季，還時常發生水澇。所以，安裝在窨井里的甲烷傳感器最重要的特質是要能夠適應這種復雜惡劣環境。

窨井這樣的復雜環境對甲烷傳感器會產生哪些影響？本文將向您詳細介紹。

一、激光甲烷結構

按照功能劃分，激光甲烷傳感器一般分為三部分，一是光源即激光器，二是光學探測氣室，三是控制電路模塊。控制電路模塊控制激光器按照特定方式進行波長掃描輸出，激光器光束輸入到光學探測氣室上，與待測氣氛接觸。若待測氣氛含有甲烷氣體，該氣體吸收對應波長的光束能量，光束輸出至控制電路模塊。經過光電轉換、信號采集后在嵌入式系統中進行反演計算，得到甲烷氣體濃度。

光學探測氣室主要的目的是將激光器輸出的光束照射到待測氣氛，經氣體吸收后，出射至光電探測器上。

二、光路結構影響分析

對于光路結構，在實際探測中會受到傳輸光束過程中的散射影響，光學反射面上的冷凝液滴影響。具體為

散射影響

散射是指光子與空氣中的分子或是懸浮粒子彈性碰撞之后，改變行進方向。生活中常見的散射可概分為兩種：瑞利散射（Rayleigh scattering）和米氏散射（Mie scattering），示意圖如圖。

瑞利散射是指當光照到直徑比光波長小很多的粒子，光會向四面八方散射，而且光的波長越短，散射強度越大；米氏散射是指光照到直徑跟光波長相當，或是比光波長還要大的粒子（煙霧，液滴，塵埃）時，光主要會沿著原本行進的方向散射。但與瑞利散射不同，米氏散射的散射強度和波長并沒有固定關系。空氣中的微粒會造成米氏散射，而且當微粒大小與波長相近時，會有散射現象。例如水滴組成云與可見光的波長大小相當，因此發生米氏散射，形成白色的云彩。

圖1 散射示意圖

在氣室待測氣氛的光路上若存在微液滴，根據甲烷對應的吸收波長1.6um，會發生米氏散射。造成光束傳輸方向改變，部分光束不能到達光電探測器，造成探測光束功率下降，下降的幅度隨水滴數量、直徑大小相關。

透射面、反射面冷凝液滴

在光路氣室中，為了實現在有限體積內提高光程，提高測量下限，一般會設計單次、多次反射，在反射面處出現冷凝液滴。這些冷凝液滴將形成小的光學透鏡，改變光束反射角度，導致設計入射到光電探測器的光束偏移到別處。光電探測器的面積有限，一般為0.5平方毫米、1平方毫米，大的也不過2~10平方毫米。當透射面、反射面出現冷凝液滴時，冷凝液滴起到透鏡的作用，將光線折射到其他角度，一旦偏離接收面，則探測器無法接收到光束能量無法測量，下降的幅度隨水滴數量、直徑大小和鏡面分布有關。

本文模擬了一種激光光源光束照射到反射面上，然后反射進入光電探測器上，同時對比了反射面結露時，其他條件不變，仿真進入光電探測器上的光束功率。從仿真結果看，當液滴出現在反射面中心時，接收到的光功率不足入射值的0.1%，這樣給探測帶來了很大難度。

圖2 反射光路示意圖

圖3 鏡面中心無水滴，其他地方有水滴示意圖

圖4 鏡面中心有水滴時示意圖

現實環境

剛才提到了兩種影響光路的因素，一是液滴、灰塵散射、二是冷凝液滴。現實中出現極端天氣時，我們會發現下大雨、沙塵暴時出現影響我們人眼觀察的情況，特別是沙塵暴，經常導致幾米外看不到任何東西，只有漫漫黃沙。但是甲烷傳感器應用時，因為光路一般只有10cm或者更短，這么短的距離下沙塵暴的影響沒有想象的大。特別是傳感器外面一般配有防塵罩，導致灰塵進入光路的數量更低，因此液滴、灰塵散射的影響不大。

冷凝液滴呢，戴眼鏡的朋友都有這種體會，當我們進入浴室時，眼鏡上出現一層“霧氣”，這層霧氣就是冷凝液滴。

什么時候出現這種情況？根據濕度定義，當眼鏡鏡片的露點溫度低于環境露點溫度時，鏡片上會出現氣態水氣飽和變為液態液滴的情況。這種情況一般為氣態水分子數量一定、不同介質上存在溫度差，導致在低溫介質上出現冷凝現象。換句話說，對于封閉系統，氣態水氣分子數相對固定，但是外界溫度變化時，易出現冷凝。這種場景在生活中較多見，比如甲烷測量時在窨井下，當外界溫度驟變時，窨井內傳感器各部件因為材質不同，比熱容不一致，造成溫差，導致在鏡面處出現冷凝。因為冷凝分布及小液滴形成大液滴具有一定的隨機性，若出現在光束中心位置，則導致光功率大幅度衰減無法測量。