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1、光纤气体传感器的研究摘要在现代生产、生活中，随着人们生活水平的提高，人类对生态环境净化的要求也越来越高，因此对于空气中的有害气体的实时检测显得尤为重要。尤其是像煤炭和化工等领域，对空气中有毒、有害气体的监测预报是亟待解决的问题。而光纤气体传感器在此领域内的应用及研究正蓬勃发展。本文首先根据测量方法的不同对光纤气体传感器进行分类，然后分别介绍每一种光纤气体传感器原理，分析及对比其各自的优缺点，接着落脚于目前生活中最有用途和最接近实用化的光谱吸收型光纤气体传感器，介绍其测量原理及特点，并对差分吸收检测和谐波检测两种基本的光纤气体传感器检测技术进行了详细的比较。最后通过举例介绍分布反馈式半导体激光器
2、（DFBLD）构成的能够同时检测甲烷和乙炔两种气体的谐波检测系统以及由LED构成的甲烷时间差分检测系统，来进一步说明光纤气体传感器在实际生活中的应用。关键词：光纤气体传感器；光谱吸收型；差分吸收检测；谐波检测The Research of Optical Fiber Gas SensorAbstractIn modern production and life, with the improvement of living standards, the demands of human on the purification of ecological environment are gett
3、ing higher and higher. Therefore, the real-time detection of the harmful gases in the air is particularly important. Especially as areas such as coal and chemicals, the detection and prediction of the toxic air, toxic gas monitoring and forecasting is a serious problem which should be solved. And th
4、e application and research of fiber-optic gas sensor in this field are booming. In this paper, firstly, based on different measurement methods, I make optical gas sensors to classify, and then introduced each of the principle of optical fiber gas sensor, analysis and comparison of their respective a
5、dvantages and disadvantages. Then settled in the spectral absorption-based fiber-optic gas sensor which is the most closest to the practical use in the present life, introduce its measuring principle and characteristics, and carry out a detailed comparison of the differential absorption detection an
6、d the harmonic wave detection which are two basic fiber-optic gas sensor detection techniques Finally, through the examples of harmonic wave Detection System which is composed with the distributed feedback semiconductor laser (DFBLD) and can detective two gases as methane and acetylene at the same t
7、ime As well as the methane time-difference detection system which is composed with the LED to make a further illustration about the applications of optical fiber gas sensor in real life. Key words: fiber-optic gas sensor; spectral absorption type; differential absorption detection; harmonic wave det
8、ection目 录第一章 引 言5第二章 光纤气体传感器的介绍、分类及原理52.1 光纤气体传感器的分类52.1.1 传感型光纤气体传感器62.1.2 传光型光纤气体传感器62.2渐逝场型光纤气体传感器62.3荧光型光纤气体传感器72.4染料指示剂型光纤气体传感器72.5 折射率变化型光纤气体传感器82.6多点复用型光纤气体传感器92.7 光谱吸收型光纤气体传感器9第三章 光谱吸收型光线气体传感器的原理及检测方法103.1 吸收型光纤气体传感器的基本原理103.2光谱吸收型光纤气体传感器的的检测方法113.2.1 差分吸收检测113.2.2谐波检测13第四章 光谱吸收型光纤气体传感器的应用13
9、4.1甲烷和乙炔谐波检测系统144.2甲烷气体差分检测系统15第五章 总结16光纤气体传感器的研究第一章 引 言工程测试过程中，及时、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行监测预报和自动控制已成为当前煤炭、石油、化工、电力等部门亟待解决的重要问题之一。同时随着人们生活水平的提高，人类对生态环境的要求也越来越高。迫切要求监测，监控易燃、易爆、有毒、有害气体，减少环境污染，确保身心健康。因此研制气体传感系统已成为当今传感技术发展领域的一个重要课题。光纤气体传感器具有传输功率损耗小，传输信息容量大，抗电磁干扰能力强，且耐高温、高压、腐蚀，绝缘，阻燃防爆，易于实现远距离遥测和良好的气体选择性等，因此吸
10、引了众多科技工作者从事这方面的研究。许多气体在红外波段有本征吸收，在近红外和可见波段有较弱的泛频吸收线。硅光纤的低频损耗窗口的波长覆盖了0.8m-1.7m的范围，在这一波段发光器件和接受器件都是比较理想的光电转换器件，因此光纤气体传感器可以用于环境检测，程控，尤其是在恶劣环境下的在线，连续监测方面发挥着重要作用，有着不可替代的优势。2第二章 光纤气体传感器的介绍、分类及原理2.1 光纤气体传感器的分类光纤气体传感器是光纤传感技术的一个重要的应用分支。光纤传感本身具有的独特优势使得光纤气体传感器在气敏传感领域尤为受到重视。光纤气体传感器根据传感原理分两大类:一类是传光型光纤气体传感器，光纤在传感
11、系统中只起到传输光波的作用，探头则为外加的换能器；另一类是传感型光纤气体传感器，光纤不仅具有光波传导作用，还有气体探头的作用。国外这两类传感器分别称为外作用型和内作用型光纤气体传感器。2.1.1 传感型光纤气体传感器传感型光纤气体传感器是利用待测气体与光纤中传输光的相互作用来实现的。它的传感机制取决于不同气体固有的与光波不同的相互效应，这类传感器的传感机制随不同的气体而不同。基于折射率变化/光程变化的光纤气体传感器是在光纤表面或端面涂敷上一层特殊材料，这类材料的体积或折射率对一些气体敏感。基于染料指示剂的光纤气体传感器是应用染料指示剂作为中间物来实现间接传感，染料和被测气体发生化学作用，其光学
12、性质发生变化，通过测量其变化，就得到被测气体的信息。多孔光纤气体传感器是利用化学方法在光纤上形成许多微孔结构，这些微孔结构允许气体与光纤中的光场发生强烈的相互作用，从而实现多种气体的检测，水蒸气浓度的检测就是多孔光纤气敏传感的一个典型实例。基于荧光效应的光纤气体传感器是通过测量与其相应的荧光辐射来确定气体的浓度，被测气体的浓度既可以改变荧光辐射的强度，也可以改变其寿命，因此又可分为两类:一是测量荧光辐射的强度，另一类是测量荧光辐射寿命，基于荧光效应光纤气敏传感对检测氧气和氢离子浓度尤为显著。32.1.2 传光型光纤气体传感器在传光型光纤气体传感器中，光纤仅作为传输介质，只起传输光能的作用。通过
13、光能与待测气体间相互作用产生的各种信息或借助于某种换能器，使得待测气体的某个或某些特性的改变从而得以检测。目前它们之间的相互作用主要表现为气体对光波的红外吸收效应。很多气体在红外光谱区都存在较强的吸收谱线，而且相关谱线和现有的光源及光纤的低损耗传输窗口相适应，从而使得基于气体红外吸收效应的检测技术成为光纤气体传感器的一个主流方向。目前生活中主要有光谱吸收型，渐逝场型，荧光型，燃料指示剂型，折射率变化型，多点复用型等几种光纤气体传感器。下面将分别简单介绍它们各自的原理及优缺点。32.2渐逝场型光纤气体传感器渐逝场型光纤气体传感器是利用光纤接口附近的渐逝场被气体吸收峰衰减来测量气体浓度的。从本质上
14、说，可以认为它是一种特殊的光谱吸收型光纤气体传感器。对于光纤中的导模（传播模）可以认为光在光纤芯子和包层的界面上发生全反射，这时在包层中出现渐逝场，它的电场振幅随着与光纤芯子距离的增大而呈指数衰减。一种典型的渐逝场型光纤气体传感器是将普通光纤的包层去掉一部分形成所谓D型光纤，使得包层中的一部分光波能量处于环境中，待测气体与消逝场中的光波相互作用产生吸收从而使出射光强发生变化。如图1是采用D型光纤测量甲烷浓度的原理装置图。1图1 采用D型光纤测量甲烷浓度的原理装置图2.3荧光型光纤气体传感器这是一种通过测量与气体相应的荧光辐射来确定其浓度的光纤气体传感器。荧光可以由被测气体本身产生，也可以由与其
15、相互作用的荧光物质产生。荧光物质吸收光谱中特定波长的光照射。被测其它浓度既可以改变荧光辐射的强度，也可以改变其寿命。与吸收型光纤气体传感器相比，荧光型光纤气体传感器所用波长（荧光波长）不同于激励光波长。由于不同的荧光材料通常具有不同的荧光波长，因此荧光型光纤气体传感器对被测量的鉴别性好。实际上希望辐射波长和激励波长离得越远越好，这样在输出端可用廉价的波长滤波器将激励光和传感光分开。通常希望激励波长在可见光或近红外区，这一波段上光源技术成熟，价格也低廉。但因为信号微弱是限制荧光气体传感的主要因素，使得检测系统复杂，因而系统的成本较高。2.4染料指示剂型光纤气体传感器一些气体在石英光纤低损耗窗口内没有较强的吸收峰，但相应波长的光源或检测器太昂贵，这是影响这一技术实用化的主要问题。解决这一问题的方法之一是使用染料指示剂作为中间物质来实现间接传感。染料和被测的气体发生化学反应，使得染料的光学性质发生变化利用光纤传感器测量这种变化，就可以得到被测气体的浓度信息。最常见的染料指示剂型光纤气体传感器，染料指示剂（如石蕊或酚红试纸）的颜色会随着pH的变化而变化，引起对光的吸收的变化。通过测量某些气体浓度变化带来的pH值变化，来分析气体的信息。基于染料
