光纤气体传感器研究背景及现状

光纤气体传感器研究背景及现状 1 研究背景....................................................................................................................................... 1 2光纤气体传感器研究现状 ............................................................................................................ 2 2.1 光谱吸收型光纤气体传感器 ............................................................................................ 2 2.2 荧光型光纤气体传感器 .................................................................................................... 3 2.3 燃料指示剂型光纤气体传感器 ........................................................................................ 4 2.4 基于折射率变化型光纤气体传感器 ................................................................................ 4 2.5 倏逝波型光纤气体传感器 ................................................................................................ 5

1 研究背景 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。电子和电脑、空间、海洋、材料和能源等关键工程的开发，首先要有能传感各种强、高、弱、微和边缘效应的传感器，这些特殊领域的突破将给人类科学技术带来不可估量的进展，产生巨大的经济效益。因此，传感器又被称为是现代科学技术开拓的先锋。 随着经济快速发展、生活水平不断提高和对环境保护的重视，气体传感器的作用日益显著，已用于各种有毒、有害气体探测，大气污染、工业废气监测以及对食品和居住环境质量的检测等。通常一只理想的气体传感器应具有以下特点：(1) 高选择性，只对甲烷气体敏感，不敏感其它气体；(2) 可逆性，可以重复敏感，也就是说不是一次性的敏感而可以长期多次使用；(3) 响应速度快，通常要求响应速度小于50s(包括气体的吸附和去吸附两个过程)，理想情况下应小于10s；(4) 灵敏度高，只有高的灵敏度才能对微少量的气体浓度产生敏感；(5) 使用寿命长，一般要求半年或1年以上；(6) 体积小，方便安装和携带；(7) 结构简单，包括传感器本身的结构和检测装置两部分；(8) 控制检测容易，最大限度地降低气体传感器及检测装置的成本；(9) 无污染和无毒副作用，要求气体传感器对环境和对人体均不构成污染。而当传感器只对某一种气体敏感的时候，才能精确测量这一气体的浓度。因此选择性是气体传感器很重要的指标之一，对其研究显得非常必要。 在我国，煤炭行业中的瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌，并且已经成为安全生产所面临的主要问题。其安全方面的隐患逐渐增多，瓦斯事故，特别是重大、特大瓦斯事故在煤矿事故中占的比例在不断的升高。由于瓦斯（甲烷是瓦斯主要成分，约占83～89%）在空气中的爆炸下限体积分数为5.3%，上限体积分数15%，因此，及时准确地监测瓦斯气体的浓度，对于工矿安全生产以及人员安全有着极其重要的作用。

2光纤气体传感器研究现状 光纤气体传感技术是一项正在发展中的新型高技术。光纤气体传感器以光为测量信号的载体,对被测对象不产生影响,其自身独立性好,可适应各种使用环境,由其组成的光纤传感系统便于与中心计算机连接,可实现多功能、智能化的要求,可与光纤遥测技术相配合实现远距离测量与控制。工业上的需要和人们对环境的关注使得光纤气体传感器的发展非常迅速。经过二十多年的发展，它已应用在社会生活的许多方面：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。光纤气体传感器发展迅速是因为它有着传统传感器不可比拟的优势：非接触式遥测能力；测量的安全性；传感单元结构简单、稳定可靠；易于组成光纤传感网络。 从传感原理上来看，光纤气体传感器包括光谱吸收型、荧光型、染料指示剂型、折射率变化型和倏逝波型等。

2.1 光谱吸收型光纤气体传感器 光谱吸收型气体传感器是最重要，也是最简单的一类光纤气体传感器。它利用气体的吸收光谱因气体分子化学结构、浓度和能量分布差异产生的不同进行检测，从而具有了选择性、鉴别性和气体含量的唯一确定性等特点。如果光源光谱覆盖一个或多个气体的吸收线，则光通过待测气体时会就发生衰减，输出光强I、输入光强I0和气体的浓度C之间关系满足比尔-朗伯定理,即: 0expIImLC (1)

式中, αm—摩尔分子(MOLAR)吸收系数；C—气体浓度(atm)；L—光和气体的作用长度(传感长度，单位:cm)。若已知αm和l, 通过检测I和I0即可得待测气体浓度C；而通过确定吸收峰的位置可以进一步确定气体的种类, 达到气体探测的目的。 00IKCI

与其他气体传感技术相比，这种传感技术具有测量灵敏度高，气体鉴别能力好，响应速度快，耐高温及潮湿能力强，气体传感探头(气体吸收盒)简单可靠以及易于形成网络等优点，因而是目前最有前途的一种气体传感技术。这种技术现存的主要问题是受光源强度的波动、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。 这种技术利用气体在石英光纤透射窗口0.8~1.7ìm内的吸收峰测量，由于气体吸收产生的光强衰减，得到气体的浓度。所依据的基本原理为Lambert-Beer定律，见式(1)。常见的气体如（CO、CH4、 C2H2 、NO2 、CO2）在石英光纤透射窗口都有泛频吸收线，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。用这种方法可以对大多数的气体浓度进行较高精度的测量。 利用吸收型的气体传感器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，可以用同样的系统来检测不同的气体。光谱吸收型气体传感器是应用最为广泛的一类气体传感器，依据信号检测方法的不同还可以细分为许多类型。 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，它采用的是普通多模光纤。这种传感器中的关键因素有光源、气室的吸收路径设计、双波束或双波长的光路安排以及模拟信息处理四个方面。

2.2 荧光型光纤气体传感器 指通过测量与气体相应的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相互作用的荧光燃料产生。荧光物质吸收特定波长的光照射，电子受激，从低能态转移到高能态，受激电子释放能量产生荧光。荧光波长大于激励波长，其波长差称为Stokes位移，通常电子在受激态停留时间很短，典型寿命为1~20ns。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。 和吸收型光纤气体传感相比，荧光型传感器传感所用波长（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得越远越好，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。 最简单的荧光传感机理是测量某一固定波长上的荧光强度。另一类可用于气体的荧光传感器是基于气体对荧光辐射“动态熄灭”。被测量和荧光物质的受激态作用，导致荧光强度的降低和荧光寿命的缩短。其荧光辐射可用Stern-Volmer方程来描述 (2)

式中 I-----有熄灭物质时的荧光强度 I0------没有熄灭物质时的荧光强度 τ——有熄灭物质时的荧光寿命 τ0------没有熄灭物质时的荧光寿命 C------被测气体浓度 K ---------Stern-Volmer常数 从上式可知，测量荧光辐射的强度或寿命，均可以得到气体浓度信息。相对来说，荧光寿命的测量比较复杂，但不会受染料浓度变化的影响，光源光强的变化也不会影响测量结果。测量荧光寿命通常有两种方法，即脉冲时延法和相移法。 限制荧光气体传感的主要因素是信号微弱，由此带来检测系统的复杂性，使得系统成本处于较高水平。

2.3 燃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，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。最常见的燃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，分析气体的信息。 不少气体如（N2 、CO2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。

2.4 基于折射率变化型光纤气体传感器