怎样定义一款优秀的窨井用甲烷传感器？

评价一款传感器是否优秀，不应简单罗列技术参数。没有最好，只有最适合。应该综合考量测量范围、准确度、响应时间、功耗和环境适应性等参数，找到最关键的指标。

那么，安装在窨井里的甲烷传感器需要什么样的特质呢？与安装在地上环境的甲烷报警器有什么区别？

窨井遍布城市的各个角落，从地理位置上讲极其复杂多样，无供电条件，安装维护工作困难。而且它是一个地下封闭环境，湿度常年接近饱和，且早晚温差较大，容易产生冷凝结露现象；尤其是在雨季，还时常发生水涝。所以，安装在窨井里的甲烷传感器最重要的特质是要能够适应这种复杂恶劣环境。

窨井这样的复杂环境对甲烷传感器会产生哪些影响？本文将向您详细介绍。

一、激光甲烷结构

按照功能划分，激光甲烷传感器一般分为三部分，一是光源即激光器，二是光学探测气室，三是控制电路模块。控制电路模块控制激光器按照特定方式进行波长扫描输出，激光器光束输入到光学探测气室上，与待测气氛接触。若待测气氛含有甲烷气体，该气体吸收对应波长的光束能量，光束输出至控制电路模块。经过光电转换、信号采集后在嵌入式系统中进行反演计算，得到甲烷气体浓度。

光学探测气室主要的目的是将激光器输出的光束照射到待测气氛，经气体吸收后，出射至光电探测器上。

二、光路结构影响分析

对于光路结构，在实际探测中会受到传输光束过程中的散射影响，光学反射面上的冷凝液滴影响。具体为

散射影响

散射是指光子与空气中的分子或是悬浮粒子弹性碰撞之后，改变行进方向。生活中常见的散射可概分为两种：瑞利散射（Rayleigh scattering）和米氏散射（Mie scattering），示意图如图。

瑞利散射是指当光照到直径比光波长小很多的粒子，光会向四面八方散射，而且光的波长越短，散射强度越大；米氏散射是指光照到直径跟光波长相当，或是比光波长还要大的粒子（烟雾，液滴，尘埃）时，光主要会沿着原本行进的方向散射。但与瑞利散射不同，米氏散射的散射强度和波长并没有固定关系。空气中的微粒会造成米氏散射，而且当微粒大小与波长相近时，会有散射现象。例如水滴组成云与可见光的波长大小相当，因此发生米氏散射，形成白色的云彩。

图1  散射示意图

在气室待测气氛的光路上若存在微液滴，根据甲烷对应的吸收波长1.6um，会发生米氏散射。造成光束传输方向改变，部分光束不能到达光电探测器，造成探测光束功率下降，下降的幅度随水滴数量、直径大小相关。

透射面、反射面冷凝液滴

在光路气室中，为了实现在有限体积内提高光程，提高测量下限，一般会设计单次、多次反射，在反射面处出现冷凝液滴。这些冷凝液滴将形成小的光学透镜，改变光束反射角度，导致设计入射到光电探测器的光束偏移到别处。光电探测器的面积有限，一般为0.5平方毫米、1平方毫米，大的也不过2~10平方毫米。当透射面、反射面出现冷凝液滴时，冷凝液滴起到透镜的作用，将光线折射到其他角度，一旦偏离接收面，则探测器无法接收到光束能量无法测量，下降的幅度随水滴数量、直径大小和镜面分布有关。

本文模拟了一种激光光源光束照射到反射面上，然后反射进入光电探测器上，同时对比了反射面结露时，其他条件不变，仿真进入光电探测器上的光束功率。从仿真结果看，当液滴出现在反射面中心时，接收到的光功率不足入射值的0.1%，这样给探测带来了很大难度。

图2  反射光路示意图

图3  镜面中心无水滴，其他地方有水滴示意图

图4  镜面中心有水滴时示意图

现实环境

刚才提到了两种影响光路的因素，一是液滴、灰尘散射、二是冷凝液滴。现实中出现极端天气时，我们会发现下大雨、沙尘暴时出现影响我们人眼观察的情况，特别是沙尘暴，经常导致几米外看不到任何东西，只有漫漫黄沙。但是甲烷传感器应用时，因为光路一般只有10cm或者更短，这么短的距离下沙尘暴的影响没有想象的大。特别是传感器外面一般配有防尘罩，导致灰尘进入光路的数量更低，因此液滴、灰尘散射的影响不大。

冷凝液滴呢，戴眼镜的朋友都有这种体会，当我们进入浴室时，眼镜上出现一层“雾气”，这层雾气就是冷凝液滴。

什么时候出现这种情况？根据湿度定义，当眼镜镜片的露点温度低于环境露点温度时，镜片上会出现气态水气饱和变为液态液滴的情况。这种情况一般为气态水分子数量一定、不同介质上存在温度差，导致在低温介质上出现冷凝现象。换句话说，对于封闭系统，气态水气分子数相对固定，但是外界温度变化时，易出现冷凝。这种场景在生活中较多见，比如甲烷测量时在窨井下，当外界温度骤变时，窨井内传感器各部件因为材质不同，比热容不一致，造成温差，导致在镜面处出现冷凝。因为冷凝分布及小液滴形成大液滴具有一定的随机性，若出现在光束中心位置，则导致光功率大幅度衰减无法测量。

图5  冷凝液滴示意图

四、综述

甲烷传感器的各项性能指标都非常重要，比如测量下限、测量误差等。但是针对窨井环境，作为一款报警器，在实际应用中，能在水淹、冷凝液滴和其他环境干扰下长时间进行泄漏报警监测，不漏报不误报才是用户更关心的。

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审核编辑 黄昊宇