光纤气体传感器总结

光纤气体传感器总结光纤气体传感器调研总结光纤气体检测综述1.1国内外光纤气体检测技术的发展气体传感器是一种把气体中的特定成分检测出来,并转换成电信号的器件,人们很早就开始了气体传感器的研究,将其用来对有毒、有害气体的探测,对易爆、易燃气体的安全报警。对人类生产生活中所需了解的气体进行检测、分析研究等,使得它在工业生产和日常生活中起到耳目的作用。光纤传感技术是一项正在发展中的具有广阔前景的新型高技术。由于光纤本身在传递信息过程中具有许多特有的性质,如光纤传输信息时能量损耗很小,给远距离遥测带来很大方便。光纤材料性能稳定,不受电磁场干扰,在高温、高压、低温、强腐蚀等恶劣环境下保持不变所以光纤传感器从问世到如今,一直都在飞速发展[1]。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[2]。1989年，西安应用光学研究所的郭栓运对光纤气体传感器展开研究，在应用光学杂志上介绍了差分光谱吸收的基本原理，给出了实验框图和应用实例[15]。1992年，中国矿业大学的王耀才等在光纤通信技术杂志上介绍了吸收型光纤瓦斯传感技术和干涉型瓦斯传感器的原理，并对其在煤矿重的应用前景做了探讨[16]。1997年，山东矿业学院的曹永茂等人针对光纤瓦斯传感器光波波长的选择展开讨论，提出根据传感器技术指标来确定光纤瓦斯传感器的基本参数，并建立了相应的数学模型[17]。1999年，大连理工大学刘文琦等人报道了一种新型透射式光纤甲烷传感器，用1.31μｍInGaAsP型LED做光源测量甲烷浓度，通过研究制备一种纳米级多透射膜，增强了甲烷气体对激光的光谱吸收[18]。同年，香港理工大学,靳伟应用调制光盘技术对DFB激光器惊醒调制，研究光纤气体传感器的分时多路复用（TDM）技术。靳伟建立了计算仿真模型，仿真结果表明由20个甲烷气体传感器组成的光纤气体传感器阵列的检测灵敏度可以达到2000ppm[19-20]。之后靳伟博士与清华大学喻洪波合作，实现了连续波调频技术复用的光纤气体多点传感系统[21]。2000年，浙江大学叶险峰等在对CH4分子近红外洗后光谱分析比较的基础上考虑与光纤的低损耗窗口相一致以及价格等因素，采用价廉的1.3μｍ波段的LED作为光源，实现了对甲烷气体的检测，检测灵敏度为1300ppm/m[6]。2001年，燕山大学王玉田等根据甲烷气体的吸收光谱，研究了一种利用价格低廉的LED作为光源的新型投射式光纤甲烷气体传感器，选择两种同型号的LED光源作为差分吸收信号，光源驱动器自动实行交替斩波[7]。为了保证系统对甲烷气体检测的精度，采取了两项措施，一是设置了参考通道，二是采用了光源反馈通道以增强LED光源的稳定性[8]。2005年，张爱军[3]对光谱吸收型光纤气体进行了研究。每一种气体都有固有的吸收谱，当光源的发射光波与气体的洗后光波长相吻合时，就会放生共振洗后，其洗后强度与该气体的浓度有关，通过测量光的吸收强度就可测量气体的浓度。以甲烷气体为例，通过实验研究，分析了吸收路径长度对传感器灵敏度的影响，增加吸收路径的长度，有利于提高传感器的灵敏度。气体体浓度较小时，通过增加吸收路径的长度来提高传感器的灵敏度效果明显。2006年，中国科学院安徽光机所的阚瑞峰等可调谐二极管激光吸收光谱与多次反射池相结合，研制了用于地面环境空气中甲烷含量检测的便携式吸收光谱仪，并利用不同体积分数的甲烷气体对系统进行了测试，取得了很好的测试结果[9]。王晓梅等分析了TDLAS谐波信号的特征，建立了谐波信号的数学模型，利用较高浓度气体的二次谐波信号作为曲线，对待测气体的谐波信号进行线性回归[10]。2007年，燕山大学王艳菊等采用双光路、双波长来解决光源功率波动、光纤损耗等问题，在接受端采用旋转双色滤光器和单探测器消除了双光电器件的飘逸对测量结果的影响[11]。同年，中国科学院安徽光机所的陈玖等应用自平衡测量方法，消除了激光的共模噪声和其他同性干扰的影响，该方法不用加信号使用波长（荧光波长）不同于激励波长。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。实际上希望辐射波长和激励波长离开的越远越好，在输出端可用廉价的波长滤波器将激励光和传感光分开。通常激励波长在可见光或红外区，这一波段上光源技术成熟，几个也比较低廉。燃料指示剂型光纤气体传感器一些气体在石英光纤低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燃料指示剂作为中间物来实现间接传感。燃料与被测气体发生化学反应，使得燃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。最常见的燃料指示剂光纤气体传感器是pH值传感器，一些燃料指示剂的颜色会随着pH值得变化而变化，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，分析气体浓度信息。图21.3光纤气体传感器的特点由于光纤本身传输损耗和微型结构，光纤气敏传感器存在两个基本限制：一是光线的低损耗传输窗口的限制，石英光纤只在1.1~1.7um的近红外区有低损耗和低散射。若在中、远红外区进行探测会造成光信号较大的衰弱，致使光通过待测气体后的变化与气体的检测参数不成特定的关系。而多数气体在中、远红外光谱区存在较强的吸收光谱。另一限制是光纤本身的微型结构使得光纤只有较小的数值孔径，光耦合难以很高。但在短距离传输检测中，采用数值孔径较大的塑料光纤可提高光耦合，又不会产生较大的传输损耗。尽管光纤气体传感纯在限制，但光纤气体传感器较传统的气体传感器仍具有很多优点：（1）光纤气体传感器本质安全、抗电磁干扰、绝缘性能好，且耐高温、耐高压、防腐蚀、阻燃防爆，适用于远距离遥测和某些特殊环境的分析；（2）光纤传输损耗低，信息容量大，直径细，重量轻，光纤及探头均可微型化；（3）测量范围宽，精度高，工作稳定，寿命长，成本低，可同时进行多参数或连续多点检测疑惑的大量信息；（4）系统匹配性能好，容易实现检测及反馈控制的数字化、自动化和一体化；（5）光纤探头对被测量场的影响小，灵敏度高，动态范围大，响应速度快；（6）光纤的生物兼容性好，加之良好的柔韧性和不带点的安全性，使之尤其适应于生物和临床医学上的实时、体内检测；（7）在大多数情况先，光纤气体传感器不改变样品的组成，是非破坏性分析。由于光纤气体闯爱情具有上述有点，尤其他的本质安全、抗电磁干扰的特点，是其他气体传感器无法比拟的。这使它可以安全方便地用于易燃易爆、强电磁干扰或其他恶劣环境中气体的检测。2产品调研1、北京品傲光电科技有限公司光纤传感器性能指标如图3：图3系统设备及参数如图4：图4光纤气体传感器课探测气体如图5：图5产品实例图：10,000ppm=1％v/v（体积之比）价格：35万左右。基恩士（香港）有限公司目前产品只能测气体的有无，但工作温度能到达300度2、深圳富凯士公司只能测单一气体的话是有成品，但是要将混合气体的成分区分开来的话，我们还在实验室阶段，暂时没有成品提供。3、北京蔚蓝仕没有相关光纤气体传感器。浏览多家国外知名气体传感器厂家中国区主页，如英国CityTechnology；日本费加罗，欧姆龙（只能测物体数量）Nemoto；美国飞思卡尔，欧米伽；德国SENSOR等。未发现相关光纤气体传感器的产品。长春光机所：期刊论文《用于石油测井和管道运输的分布式光纤传感技术》，阐述了我国分布式压力，温度光纤传感器在石油化工方面的应用情况。发明专利《D形光纤消逝场化学传感器》，发明提出一种用于医疗、环境监控、食品安全等检测量的D形光纤消逝场化学传感器。《光纤生物传感器》，这是一种光纤生物传感器，用于测定环境中微生物的种类、含量等。《光纤液位传感器》，一种光纤液位传感器，包括有光源，探测器和传感头。安徽光机所：王晓梅等《基于可调谐二极管激光吸收光谱的高精度痕量气体浓度定量方法》，分析了TDLAS谐波信号的特征，建立了谐波信号的数学模型，利用较高浓度气体的二次谐波信号作为曲线，对待测气体的谐波信号进行线性回归。参考文献[1]陈娟，冯锡钰，蒲春华.光纤气体传感器综述[J].吉林工学院学报（自然科学版)，1997.14-15[2]贾振安,王佳,乔学光,葛朋.光纤传感技术在气体检测方面的应用[J].光通讯技术,2009.55-58[3]张爱军.光谱吸收型光纤气体传感器的研究.武汉理工大学硕士学位论文.2005,1:54-57[4]齐洁.光谱吸收型光纤气体传感技术研究.南京航空航天大学博士毕业论文.2010,2:1-2[5]张可可.光谱吸收式光纤气体检测理论及技术研究.哈尔滨工程大学博士学文论文.2012,2:1-2[6]叶险峰,汤伟中.CH4气体光纤传感器的研究[J].半导体光电.2001,21(3):218-200[7]王玉田,郭增军,王莉田等.投射式光纤甲烷气体传感器的研究[J].传感技术学报.2001,6(2):147-151[8]王玉田,郭廷荣,张为俊.高分辨率高灵敏度可调谐近红外二极管激光光谱探测[J].光学与光学技术.2004,(23):5-8[9]阚瑞峰,刘文清,张玉钧等.基于可调谐激光吸收光谱的大气甲烷监测仪[J].光学学报.2006,26(1):67-70[10]王晓梅,张玉钧,刘文清等.可调谐二极管吸收光谱痕量气体浓度算法的研究[J].中国激光.2006,3(Suppl):349-352[11]王艳菊,王玉田,王忠东.光纤甲烷气体检测系统的研究[J].压电与声光.2007,29(2):148-152[12]陈玖英,刘建国,张玉钧等.调谐半导体激光吸收光谱自平衡检测方法研究[J].光学学报.2007,27(2):350-353[13]褚衍平,张景超,管立君等.双气室气体检测系统的研究[J].应用光学.2008,29(3):390-393[14]肖兵,梁瑛琳,叶一如.提高基于TDLAS的废弃动态浓度测量系统分辨率与灵敏度的方法[J].仪表技术与传感器.2009,5:99-102[15]郭栓运.差分光谱光纤气体传感器的基本原理[J].应用光学.1989,6:28-31.[16]王耀才,石艺尉,姜洪涛.光纤传感技术在煤矿中的应用研究[J].光通信技术.1999,1(35):4-9[17]曹茂永,张逸芳,张士昌等.吸收光谱式光纤瓦斯传感器的参数设计[J].煤炭学报.1997,22(3):280-283.[18]刘文琦,牛德芳.光纤甲烷气体传感器的研究[J].仪表技术与传感器.1999,1:35-36.[19]Jinwei.CrosstalkanalysisofaTMDfibergassensorarrayusingwavelengthmodulationoftheDFBlase[J]r.SPIEConferenceofFiberOpticSensorTechnologyandApplications.1999:326-337.