气体传感器的研究与应用

气体传感器的研究与应用

0气体传感系统研究的意义随着现代工农业经济的发展，及时、准确地监测、报告和控制有害药物，已成为当前煤炭、石油、化工、能源等部门必须解决的重要问题。同时,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,迫切要求监测监控易燃易爆和有毒有害气体,减少环境污染,确保身心健康。因此研制气体传感系统是十分重要的,已成为当今传感技术发展领域的一个重要前沿课题。光纤具有体积小、频带宽、传输损耗低、抗电磁干扰性强和携带的信息量大等特点,由其构成的传感器具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、灵敏度高、便于复用、便于成网等诸多优点,它已应用在社会生活的许多方面,如:工业气体在线监测、有害气体分析、环境空气质量监测和爆炸气体检测以及对火山喷发气体的分析。1气体传感器的基本原理气体传感器是一类特殊的化学传感器,可以用于探测气体种类、测量气体浓度以及一些气体物理化学特性。从本质上讲,气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。按照检测原理的不同,气体传感器分为电学式气体传感器、光学式气体传感器、电化学式气体传感器、气相色谱法、高分子材料气体传感器。电学式气体传感器是利用材料的电学参量随气体浓度的变化而改变的特性制作的气体传感器,主要有催化燃烧式、热导式、半导体气体传感器等;光学式气体传感器利用气体的光学特性来检测气体成分和浓度的传感器,根据具体的光学原理可以分为光干涉型、荧光型、光谱吸收型、化学发光式、光离子化式等;电化学式气体传感器利用电化学方法使用电极与电解液对气体进行检测,主要包括电解式、伽伐尼电池式、固体电解质等种类的气体传感器;气相色谱法是基于不同的气体在通过色谱柱时速度不同的原理,主要适用于工厂生产现场的检测、设备检修过程中动力作业的安全检测。气相色谱需要取样过程,不能在线检测气体的浓度。高分子气敏材料气体传感器是利用高分子气敏材料在遇到特定气体时,其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化,根据气敏特性主要可分为高分子电阻式气体传感器、声表面波(SAW)式气体传感器、石英振子式气体传感器等。气体传感器的基本特性有:(1)稳定性,指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性,取决于零点漂移和区间漂移。(2)灵敏度,指传感器输出变化量与被测输入变化量之比。(3)选择性,也被称为交叉灵敏度,可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定。(4)抗腐蚀性,指传感器暴露于高体积分数目标气体中的能力。气体传感器的这些基本特性主要通过材料的选择来确定。要选择适当的材料和开发新材料,使气体传感器的敏感特性达到最优。光纤用于气体传感有着其他传感器不可比拟的优势,如抗电磁干扰、电绝缘性能好、安全可靠、灵敏度高、耐高温、耐腐蚀、体积小及可远距离传输等,特别适于在恶劣和危险环境中应用,因而得到广泛重视。2光纤传感技术光纤传感技术是利用外界因素使光在光纤中传播时光强、相位、偏振态以及波长(或频率)等特征参量发生变化,从而对外界因素进行检测和信号传输的技术。光纤传感器的基本原理是将光纤发出的光经光纤送入调制区,在调制区内,外界被测参量与进入调制区的光相互作用,使光的某些性质,如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化而成为信号光,再经光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数,如图1所示。世界上已有多种光纤传感器,诸如位移、速度、加速度、压力、流量等物理量都实现了不同性能的光纤传感。光纤气体传感技术是光纤传感技术的一个重要应用分支,主要基于气体的物理或化学性质相关的光学现象或特性。近年来,它在环境监测、电力系统以及油田、矿井、辐射区的安全保护等方面的应用显示出其独特的优越性。下面将介绍几种主要的光纤气体传感器。2.1有待测气体浓度的测定光谱法通过检测样气透射光强或反射光强的变化来检测气体浓度。每种气体分子都有自己的吸收谱特征,光源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的部分才产生吸收,吸收后的光强发生变化。根据比尔-朗伯定律,当波长为λ的单色光在充有待测气体的气室中传播距离为L后,其吸收后的光强为:式(1)中,I0(λ)为波长为λ的单色光透过不含待测气体的气室时的光强;C为吸收气体的浓度;αλ为光通过介质的吸收系数。整理即:通过检测通气前后光强的变化,就可以测出待测气体的浓度。利用介质对光吸收而使光产生衰减这一特性制成吸收型光纤气体传感器原理如图2所示。光源发出的光,由光纤送入气室,被气体吸收后,由出射光纤传至光电探测器,得到的信号光送入计算机进行信号处理,可得出气体浓度。光谱吸收型光纤气体传感器是研究得最多并接近于实用化的一种气体传感器。它的一大优点是具有简单可靠的气室结构,而且只需要调换光源,对准另外的吸收谱线,就可以用同样的系统来检测不同的气体,依据信号检测方法的不同,还可以细分为许多类型,如差分检测型和二次谐波检测型等。这种气体传感器现存的主要问题是受光源的波动、光纤折射率变化、连接器损耗和外界干扰等因素的影响较大。通过改进测量方法可以提高传感器的探测灵敏度,如双波长差分吸收比较法能更好地消除外界因素的干扰。选择与气体吸收峰对应的窄带激光器或宽带光源和梳状滤波器的组合可以极大地提高灵敏度。2.2渐凋场气体传感器主要原理光在光密介质/光疏介质界面发生全反射时,并不是全部的光都反射回去,而是在光疏介质中存在强度按指数规律衰减的渐逝场,其透射深度一般约为几个波长。光波导在光纤芯中传播时,包层中也存在以光轴为中心,向两侧迅速衰减的渐逝波。如果在渐逝场区域存在吸收介质(被测气体或燃料指示剂),则全反射光能量减少,通过测量光能的衰减量就可以计算出气体的浓度。这就是用以测量气体浓度的渐逝场吸收探测器的受抑全反射(Attenuatedtotalreflection,ATR)原理。最近几年渐逝场气体探测器得到了广泛的关注和快速的发展,主要归于其自身独特优点:传感长度比较长,结构稳定,有发展成为分布式及远距测量的探测器的潜力。一种典型的光纤渐逝场气体传感器是将普通光纤的包层去掉一部分形成D型光纤(D-fiber),使得包层中的一部分光波能量处于测量环境中,待测气体与渐逝场中的光波相互作用,部分光被吸收,从而使出射光强发生变化。但只有很小一部分能量分配到渐逝场,探测器灵敏度很低。D型光纤平面侧弯曲取向不同也会影响光纤内部光波导的分布,从而改变探测器的灵敏度。表面污染效应(Theeffectofsurfacecontamination)也会引起传感器性能下降,灵敏度降低,严重时甚至会导致测量结果的错误。高分子膜可阻挡较大分子污染物进入渐逝场区,但一些与气体分子体积相近的分子(如水蒸气)仍能通过阻挡膜进入渐逝场区。采用基模和二次谐波分量光能之比或利用污染物对D型光纤双折射的改变量可补偿表面污染引起的误差。2.3光纤荧光传感器的基本原理光纤气体传感器通过测量与气体相应的荧光辐射来确定其浓度。荧光可以由被测气体本身产生,也可以由与其相互作用的荧光燃料产生。荧光物质受吸收光谱中特定波长的光照射时,导致荧光强度下降和荧光寿命减短,相应的两种传感机理:一是测量荧光的强度变化量;二是基于气体分子对荧光的“淬灭”效应测量荧光的寿命变化量。其荧光辐射可用斯德恩-沃尔玛(Stern-Volmer)方程来描述,即:式(3)中I、I0、分别表示有和没有气体时荧光的强度;τ、τ0分别表示有和没有气体时的荧光寿命;C为被测气体的浓度;K为Stern-Volmer常数。由式(3)可见,无论测量荧光辐射的强度还是寿命,均可以得到气体的浓度信息。相对来说,荧光寿命的测量比较复杂,但它不受染料浓度变化的影响,也不受光源光强变化的影响。测量荧光寿命通常有脉冲时延法和相移法两种方法。光纤荧光气体传感器一般做成反射式结构,将荧光物质涂敷在光纤的一端,激励光从另一端入射到荧光物质上产生荧光,受外界气体浓度调制的荧光再被端面反射回来被探测单元接收。与吸收型光纤气体传感器相比,荧光型传感器使用波长(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,因此荧光传感器对被测量的鉴别性好。限制荧光气体传感的主要因素是信号微弱,使得检测系统复杂,因而系统成本较高。2.4光纤传感器测量气体浓度一些气体在石英光纤低损耗窗口内没有较强的吸收峰,或者虽有吸收峰但相应波长的光源或检测器不存在或太昂贵,解决这些问题的方法之一是应用染料指示剂作为中间物来实现间接传感。染料与被测气体发生化学反应,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是pH值传感器,一些染料指示剂(如石蕊或酚红试纸)的颜色会随着pH值的变化而变化,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,分析气体的浓度信息。不少气体(如氮气,二氧化碳等)的浓度可以通过测量相应溶液的pH值来确定。其优点是体积小,结构简单。缺点是鉴别性差,难以作为气体鉴别的唯一依据。作为成本低廉的一类传感器,近年来它的发展主要集中在选择新的染料指示剂,研究新的传感探头。2.5气体浓度测量在裸露纤芯表面或是端面涂敷一层与气体作用时折射率会发生变化的特殊材料,可引起波导的参数变化,如有效折射率、损耗和双折射等,用光强检测或干涉测量方法检测参数变化量可实现对气体成分和浓度的测量。折射率变化型光纤气体传感器的原理就是利用气体对某些材料的折射率不同或光程的变化而产生干涉,形成Michelson干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪和Febry-Perot干涉仪等,通过测量干涉仪输出光强度的变化来获得气体的浓度信息。光波导以及光纤扰模理论可解释材料折射率和光纤光强间的相互作用。光纤光能的相对变化与介质折射率变化的关系:式(4)中,A为光纤总弯曲角度;B值大小由光纤包层和外界介质之间的界面缺陷以及外界介质的非均匀等因素决定;C为外界介质对传播光的吸收造成光能的衰减;y与微弯前后光锥夹角及光锥与光纤中心轴的夹角有关。传统的折射率变化型光纤气体传感方法是通过检测光纤端面处传输光的相对变化量来分析气体浓度,可灵敏地反映外界环境中的气体扰动,并且扰动程度增加使传感头对环境干扰变化更加敏感。采用模式滤光检测法(Mode-filteredlightdetection)可提高这种传感器的灵敏度。2.6光纤传感器的复用光谱吸收型光纤气体传感器的理论与技术已经比较成熟,多点复用型光纤气体传感器利用一个光源通过多条传感光纤测量不同点的气体浓度信息,成为当前光纤气体传感器研究的重点。利用光纤局域网技术,把多个传感器连成一个复杂的传感网络,简化了系统光源以及信号检测处理系统,大大降低了系统的成本,且系统可靠性增强。光纤传感器的复用按其工作原理可分为时分复用(TDM)、频分复用(FDM)、码分复用(CDM)、波分复用(WDM)以及串连的光时域反射等技术。从网络拓扑结构来说可分为星型网络,环形网络,梯形网络,树型网络及线性阵列型网络等。以上是光纤气体传感器的简单分类,实际上某些气体传感器可能是几种类型的组合。光谱吸收型光纤气体传感器结合多点复用技术,与其他光纤气体传感器相比具有相当高的测量灵敏度,极高的气体鉴别能力,响应速度快,抗环境干扰能力强,简单可靠的气体传感探头以及易于形成网络等优点,具有广阔的应用前景。3气体传感器原理的提出随着光纤技术、电子技术和微处理技术的迅速发展,国外在光纤气体传感器的开发方面获得了令人瞩目的成就。目前,我国在光纤气体传感器的研究主要集中在1.0~2.0μm范围内,实用化的光纤气体传感器仅仅是光谱吸收型气体传感器,而其它类型的光纤传感器的主要问题是成本高,一些成熟而又先进的技术如光纤光栅和OTDR技术等,也是由于成本问题无法得到推广。结合本课题的实际情况,设计了一种新型的基于光谱吸收原理的开放式气体传感器。该传感器采用分布反馈式激光器(DFBLD)作光源,并对光源进行温度和功率控制。传感头结构如图3所示。将一个光纤准直器和一个凹面反射镜固定在V型槽上,准直器置于凹面反射镜的焦点处,同时起到输入和输出的作用,光通过准直器后变为平行光束照射到凹面反射镜的中心,再被反射回准直器。用一个光纤耦合器来提取反射光,经光纤传给光电探测器,最后输出到计算机进行信号处理,实现了对气体浓度的测量。这种反射式结构增加了光被气体吸收的光程,提高了检测灵敏度;凹面反射镜有聚焦作用,减小了反射对光功率的损耗;开放式设计避免了传统吸收型传感器气室体积较大、