光纖氣體傳感器總結(jié)光纖氣體傳感器調(diào)研總結(jié)光纖氣體檢測綜述1.1國內(nèi)外光纖氣體檢測技術(shù)的發(fā)展氣體傳感器是一種把氣體中的特定成分檢測出來,并轉(zhuǎn)換成電信號的器件,人們很早就開始了氣體傳感器的研究,將其用來對有毒、有害氣體的探測,對易爆、易燃?xì)怏w的安全報(bào)警。對人類生產(chǎn)生活中所需了解的氣體進(jìn)行檢測、分析研究等,使得它在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中起到耳目的作用。光纖傳感技術(shù)是一項(xiàng)正在發(fā)展中的具有廣闊前景的新型高技術(shù)。由于光纖本身在傳遞信息過程中具有許多特有的性質(zhì),如光纖傳輸信息時(shí)能量損耗很小,給遠(yuǎn)距離遙測帶來很大方便。光纖材料性能穩(wěn)定,不受電磁場干擾,在高溫、高壓、低溫、強(qiáng)腐蝕等惡劣環(huán)境下保持不變所以光纖傳感器從問世到如今,一直都在飛速發(fā)展[1]。世界上已有多種光纖傳感器，諸如位移、速度、加速度、壓力、流量等物理量都實(shí)現(xiàn)了不同性能的光纖傳感。光纖氣體傳感技術(shù)是光纖傳感技術(shù)的一個重要應(yīng)用分支，主要基于氣體的物理或化學(xué)性質(zhì)相關(guān)的光學(xué)現(xiàn)象或特性。近年來，它在環(huán)境監(jiān)測、電力系統(tǒng)以及油田、礦井、輻射區(qū)的安全保護(hù)等方面的應(yīng)用顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性[2]。1989年，西安應(yīng)用光學(xué)研究所的郭栓運(yùn)對光纖氣體傳感器展開研究，在應(yīng)用光學(xué)雜志上介紹了差分光譜吸收的基本原理，給出了實(shí)驗(yàn)框圖和應(yīng)用實(shí)例[15]。1992年，中國礦業(yè)大學(xué)的王耀才等在光纖通信技術(shù)雜志上介紹了吸收型光纖瓦斯傳感技術(shù)和干涉型瓦斯傳感器的原理，并對其在煤礦重的應(yīng)用前景做了探討[16]。1997年，山東礦業(yè)學(xué)院的曹永茂等人針對光纖瓦斯傳感器光波波長的選擇展開討論，提出根據(jù)傳感器技術(shù)指標(biāo)來確定光纖瓦斯傳感器的基本參數(shù)，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[17]。1999年，大連理工大學(xué)劉文琦等人報(bào)道了一種新型透射式光纖甲烷傳感器，用1.31μｍInGaAsP型LED做光源測量甲烷濃度，通過研究制備一種納米級多透射膜，增強(qiáng)了甲烷氣體對激光的光譜吸收[18]。同年，香港理工大學(xué),靳偉應(yīng)用調(diào)制光盤技術(shù)對DFB激光器驚醒調(diào)制，研究光纖氣體傳感器的分時(shí)多路復(fù)用（TDM）技術(shù)。靳偉建立了計(jì)算仿真模型，仿真結(jié)果表明由20個甲烷氣體傳感器組成的光纖氣體傳感器陣列的檢測靈敏度可以達(dá)到2000ppm[19-20]。之后靳偉博士與清華大學(xué)喻洪波合作，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)波調(diào)頻技術(shù)復(fù)用的光纖氣體多點(diǎn)傳感系統(tǒng)[21]。2000年，浙江大學(xué)葉險(xiǎn)峰等在對CH4分子近紅外洗后光譜分析比較的基礎(chǔ)上考慮與光纖的低損耗窗口相一致以及價(jià)格等因素，采用價(jià)廉的1.3μｍ波段的LED作為光源，實(shí)現(xiàn)了對甲烷氣體的檢測，檢測靈敏度為1300ppm/m[6]。2001年，燕山大學(xué)王玉田等根據(jù)甲烷氣體的吸收光譜，研究了一種利用價(jià)格低廉的LED作為光源的新型投射式光纖甲烷氣體傳感器，選擇兩種同型號的LED光源作為差分吸收信號，光源驅(qū)動器自動實(shí)行交替斬波[7]。為了保證系統(tǒng)對甲烷氣體檢測的精度，采取了兩項(xiàng)措施，一是設(shè)置了參考通道，二是采用了光源反饋通道以增強(qiáng)LED光源的穩(wěn)定性[8]。2005年，張愛軍[3]對光譜吸收型光纖氣體進(jìn)行了研究。每一種氣體都有固有的吸收譜，當(dāng)光源的發(fā)射光波與氣體的洗后光波長相吻合時(shí)，就會放生共振洗后，其洗后強(qiáng)度與該氣體的濃度有關(guān)，通過測量光的吸收強(qiáng)度就可測量氣體的濃度。以甲烷氣體為例，通過實(shí)驗(yàn)研究，分析了吸收路徑長度對傳感器靈敏度的影響，增加吸收路徑的長度，有利于提高傳感器的靈敏度。氣體體濃度較小時(shí)，通過增加吸收路徑的長度來提高傳感器的靈敏度效果明顯。2006年，中國科學(xué)院安徽光機(jī)所的闞瑞峰等可調(diào)諧二極管激光吸收光譜與多次反射池相結(jié)合，研制了用于地面環(huán)境空氣中甲烷含量檢測的便攜式吸收光譜儀，并利用不同體積分?jǐn)?shù)的甲烷氣體對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，取得了很好的測試結(jié)果[9]。王曉梅等分析了TDLAS諧波信號的特征，建立了諧波信號的數(shù)學(xué)模型，利用較高濃度氣體的二次諧波信號作為曲線，對待測氣體的諧波信號進(jìn)行線性回歸[10]。2007年，燕山大學(xué)王艷菊等采用雙光路、雙波長來解決光源功率波動、光纖損耗等問題，在接受端采用旋轉(zhuǎn)雙色濾光器和單探測器消除了雙光電器件的飄逸對測量結(jié)果的影響[11]。同年，中國科學(xué)院安徽光機(jī)所的陳玖等應(yīng)用自平衡測量方法，消除了激光的共模噪聲和其他同性干擾的影響，該方法不用加信號使用波長（熒光波長）不同于激勵波長。由于不同的熒光材料通常具有不同的熒光波長，因此熒光傳感器對被測量的鑒別性好。實(shí)際上希望輻射波長和激勵波長離開的越遠(yuǎn)越好，在輸出端可用廉價(jià)的波長濾波器將激勵光和傳感光分開。通常激勵波長在可見光或紅外區(qū)，這一波段上光源技術(shù)成熟，幾個也比較低廉。燃料指示劑型光纖氣體傳感器一些氣體在石英光纖低耗窗口內(nèi)沒有較強(qiáng)的吸收峰，或者雖有吸收峰但相應(yīng)波長的光源或檢測器不存在或太昂貴，解決這些問題的方法之一是應(yīng)用燃料指示劑作為中間物來實(shí)現(xiàn)間接傳感。燃料與被測氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得燃料的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，利用光纖傳感器測量這種變化，就可以得到被測氣體的濃度信息。最常見的燃料指示劑光纖氣體傳感器是pH值傳感器，一些燃料指示劑的顏色會隨著pH值得變化而變化，引起對光的吸收的變化。通過測量某些氣體濃度變化帶來的pH值變化，分析氣體濃度信息。圖21.3光纖氣體傳感器的特點(diǎn)由于光纖本身傳輸損耗和微型結(jié)構(gòu)，光纖氣敏傳感器存在兩個基本限制：一是光線的低損耗傳輸窗口的限制，石英光纖只在1.1~1.7um的近紅外區(qū)有低損耗和低散射。若在中、遠(yuǎn)紅外區(qū)進(jìn)行探測會造成光信號較大的衰弱，致使光通過待測氣體后的變化與氣體的檢測參數(shù)不成特定的關(guān)系。而多數(shù)氣體在中、遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)存在較強(qiáng)的吸收光譜。另一限制是光纖本身的微型結(jié)構(gòu)使得光纖只有較小的數(shù)值孔徑，光耦合難以很高。但在短距離傳輸檢測中，采用數(shù)值孔徑較大的塑料光纖可提高光耦合，又不會產(chǎn)生較大的傳輸損耗。盡管光纖氣體傳感純在限制，但光纖氣體傳感器較傳統(tǒng)的氣體傳感器仍具有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）光纖氣體傳感器本質(zhì)安全、抗電磁干擾、絕緣性能好，且耐高溫、耐高壓、防腐蝕、阻燃防爆，適用于遠(yuǎn)距離遙測和某些特殊環(huán)境的分析；（2）光纖傳輸損耗低，信息容量大，直徑細(xì)，重量輕，光纖及探頭均可微型化；（3）測量范圍寬，精度高，工作穩(wěn)定，壽命長，成本低，可同時(shí)進(jìn)行多參數(shù)或連續(xù)多點(diǎn)檢測疑惑的大量信息；（4）系統(tǒng)匹配性能好，容易實(shí)現(xiàn)檢測及反饋控制的數(shù)字化、自動化和一體化；（5）光纖探頭對被測量場的影響小，靈敏度高，動態(tài)范圍大，響應(yīng)速度快；（6）光纖的生物兼容性好，加之良好的柔韌性和不帶點(diǎn)的安全性，使之尤其適應(yīng)于生物和臨床醫(yī)學(xué)上的實(shí)時(shí)、體內(nèi)檢測；（7）在大多數(shù)情況先，光纖氣體傳感器不改變樣品的組成，是非破壞性分析。由于光纖氣體闖愛情具有上述有點(diǎn)，尤其他的本質(zhì)安全、抗電磁干擾的特點(diǎn)，是其他氣體傳感器無法比擬的。這使它可以安全方便地用于易燃易爆、強(qiáng)電磁干擾或其他惡劣環(huán)境中氣體的檢測。2產(chǎn)品調(diào)研1、北京品傲光電科技有限公司光纖傳感器性能指標(biāo)如圖3：圖3系統(tǒng)設(shè)備及參數(shù)如圖4：圖4光纖氣體傳感器課探測氣體如圖5：圖5產(chǎn)品實(shí)例圖：10,000ppm=1％v/v（體積之比）價(jià)格：35萬左右?；魇浚ㄏ愀郏┯邢薰灸壳爱a(chǎn)品只能測氣體的有無，但工作溫度能到達(dá)300度2、深圳富凱士公司只能測單一氣體的話是有成品，但是要將混合氣體的成分區(qū)分開來的話，我們還在實(shí)驗(yàn)室階段，暫時(shí)沒有成品提供。3、北京蔚藍(lán)仕沒有相關(guān)光纖氣體傳感器。瀏覽多家國外知名氣體傳感器廠家中國區(qū)主頁，如英國CityTechnology；日本費(fèi)加羅，歐姆龍（只能測物體數(shù)量）Nemoto；美國飛思卡爾，歐米伽；德國SENSOR等。未發(fā)現(xiàn)相關(guān)光纖氣體傳感器的產(chǎn)品。長春光機(jī)所：期刊論文《用于石油測井和管道運(yùn)輸?shù)姆植际焦饫w傳感技術(shù)》，闡述了我國分布式壓力，溫度光纖傳感器在石油化工方面的應(yīng)用情況。發(fā)明專利《D形光纖消逝場化學(xué)傳感器》，發(fā)明提出一種用于醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)控、食品安全等檢測量的D形光纖消逝場化學(xué)傳感器?！豆饫w生物傳感器》，這是一種光纖生物傳感器，用于測定環(huán)境中微生物的種類、含量等?！豆饫w液位傳感器》，一種光纖液位傳感器，包括有光源，探測器和傳感頭。安徽光機(jī)所：王曉梅等《基于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜的高精度痕量氣體濃度定量方法》，分析了TDLAS諧波信號的特征，建立了諧波信號的數(shù)學(xué)模型，利用較高濃度氣體的二次諧波信號作為曲線，對待測氣體的諧波信號進(jìn)行線性回歸。參考文獻(xiàn)[1]陳娟，馮錫鈺，蒲春華.光纖氣體傳感器綜述[J].吉林工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版)，1997.14-15[2]賈振安,王佳,喬學(xué)光,葛朋.光纖傳感技術(shù)在氣體檢測方面的應(yīng)用[J].光通訊技術(shù),2009.55-58[3]張愛軍.光譜吸收型光纖氣體傳感器的研究.武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2005,1:54-57[4]齊潔.光譜吸收型光纖氣體傳感技術(shù)研究.南京航空航天大學(xué)博士畢業(yè)論文.2010,2:1-2[5]張可可.光譜吸收式光纖氣體檢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