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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
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2021/3/12
研究人員已經(jīng)開發(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：“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：“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)量打開大門�！� “這些傳感器可以用來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。圖片來源：普林斯頓大學(xué)李娜森（Nathan Li）
邁耶說：“我們開發(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)量了在沒有甲烷的情況下通過清潔空氣傳輸?shù)募t外光，并將其與通過含甲烷的空氣進(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：“反射鏡通常用于多次來回反射光，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：“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)劃通過研究提高中空纖維機(jī)械穩(wěn)定性的方法來改進(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)。由于可以通過使用中紅外光來識(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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