（测试计量技术及仪器专业论文）光纤甲烷气体传感器的研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 指导教师： 光纤甲烷气体传感器的研究 测试计量技术及仪器 王佳( 签名) 乔学光( 签名) 贾振安( 签名) 摘要 甲烷是煤矿瓦斯、天然气、沼气的主要成分，是重要的工业原料和民用燃气，属于 易燃易爆气体，因此及时、准确地监测空气中的甲烷气体浓度，对工矿安全运行，人身 安全及环境保护有着十分重要的作用。 光纤传感器具有本质安全、抗电磁干扰、灵敏度高、动态范围大、响应速度快、不 易中毒等优点，非常适用于易燃易爆及一些恶劣环境中的检测，且易于实现远距离测量， 倍受国内外学者的关注，尤其在气体检测中呈现出广阔的应用前景。 本课题以甲烷为目标气体，基于气体近红外光谱吸收原理，结合光纤传感技术，设 计了一种反射式气室结构的光纤甲烷气体传感器，实现了对甲烷气体浓度的探测。 本论文研究的主要内容如下： 首先，将气体浓度检测与光纤传感技术结合起来，比较了几种典型的光纤气体传感 器，确定用光谱吸收式光纤气体传感器对甲烷气体浓度进行检测。 其次，通过对气体近红外选择性吸收的理论分析，找出适合石英光纤进行较长距离 低损耗传输的光谱特性，确定了甲烷气体的吸收谱线。采用分布反馈式半导体激光器 ( d f b l d ) 作为光源，通过光源频率调制实现气体浓度的谐波检测，利用二次谐波与一次 谐波的比值来消除由光源的不稳定等因素所引起的检测误差。根据光纤气体传感的发展 趋势，阐述了分布式光纤气体传感网络的原理及意义。 再次，在理论分析的基础上，设计了一种反射式结构的实验方案，分别描述了光源、 传感头和光电探测部分的设计思想，并利用设计的实验方案搭建了实验装置，进行了甲 烷气体吸收实验，根据测得的实验数据对系统的特性进行了详细分析。 最后，改进了设计方案，成功研制出一个结构开放的反射式光纤甲烷气体传感器。 关键词：甲烷；气体检测；光谱吸收；光纤传感 论文类型：应用基础与应用技术研究 ( 本文得到国家自然科学基金( 6 0 6 5 4 0 0 1 ) ，国家8 6 3 计戈u ( 2 0 0 6 a a 0 6 2 2 1 0 ) ，国家自然科 学基金( 6 0 7 2 7 0 0 4 ) ，国家8 6 3 计划项目( 2 0 0 7 a a 0 3 2 4 1 3 ) 的资助) 英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： i n s t r u c t o r ： s t u d yo no p t i cf i b e rm e t h a n es e n s o r m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n t a t i o n w a n gj i a ( s i g n a t u r e ) q i a ox u e g u a n g ( s i g n a t u r e ) j i az h e n a n ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t m e t h a n ei st h em a i nc o m p o n e n to fm a r s hg a s ，n a t u r a lg a sa n db i o g a s ，i ti sa ni m p o r t a n t i n d m 仃i a lr a wm a t e r i a la n dd o m e s t i cf u e lg a sa n di tb e l o n g st oi n f l a m m a b l ea n de x p l o s i v eg a s t h e r e f o r em o n i t o r i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fm e t h a n ei na i rr a p i d l ya n da c c u r a t e l yi sv e r y i m p o r t a n tf o rs a f e t yp r o d u c t i o no fm i n i n gi n d u s t r ya n dp e r s o n a ls e c u r i t ya n de n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n o p t i c a lf i b e rs e n s o ri sf o c u s e do na l lo v e rt h ew o r l df o ri th a sl o t so f 。a d v a n t a g e s ，s u c ha s i n h e r e n t l ys e c u r e ，a n t i - e l e c t r o m a g n e t i c ，s e n s i t i v e ，h a v el a r g ed y n a m i cr a n g e ，r e s p o n dr a p i d l y ， f r e e d o mf r o mp o i s o n i n g ，e t c a n di ti sv e r ys u i t a b l ef o rt h ed e t e c t i n gi i lf l a m m a b l e ，e x p l o s i v e e v e no t h e rh a r s he n v i r o n m e n t , e a s yt oa c h i e v et h el o n g d i s t a n c em e a s u r e m e m ，p a r t i c u l a r l y s h o w sb r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t si ng a sd e t e c t i o n 砸st h e s i su s i n gm e t h a n ea sat a r g e tg a s ，t h a ti sb a s e do nn e a r - i n f r a r e ds p e c t r u m a b s o r p t i o np r i n c i p l ea n dc o m b i n e d 诵t l lo p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g y ，a no p t i c a lf i b e r m e t h a n es e n s o r 谢mr e f l e c t i v ec h a m b e rs t r u c t u r ei sd e s i g n e d , d e t e c t i n gt h ec o n c e n t r a t i o no f m e t h a n ei sr e a l i z e d t h ed e t a i l e dr e s e a r c hc o u t e m sa r ea sf o l l o w i n g ： f i r s t l y ，c o m b i n e dt h ed e t e c t i o no ft h eg a sc o n c e n t r a t i o n 诵lt h eo p t i c a lf i b e rs e n s i n g t e c h n o l o g y ，c o m p a r e dan u m b e ro ft y p i c a lo p t i cf i b e rg a ss e n s o r sa n dd e t e r m i n e dt od e t e c tt h e c o n c e n t r a t i o no fm e t h a n eb yo p t i c a lf i b e rg a ss e n s o rb a s e do ns p e c t r u ma b s o r p t i o n s e c o n d l y ，a f t e ra n a l y z i n gt h et h e o r yo fn e a r i n f r a r e ds e l e c t i v ea b s o r p t i o no fg a s ，t h e a b s o r p t i o ns p e c t r ao fm e t h a n ei sc o n f i r m e da n dt h es p e c t r ac h a r a c t e r i s t i c sw h i c hi sf i tf o r l o w l o s st r a n s m i s s i o nw i n d o wo fo p t i c a lf i b e ri sa l s od i s c u s s e d d i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e r d i o d e ( d f b l d ) i su s e da sal i g h ts o u r c ea n dl i g h ts o u r c em o d u l a t i o nh a r m o n i cm e a s u r e m e n ti s p r e s e n t e d i i lt h i sp a p e r 1 1 1 er a t i oo ft h ef u n d a m e n t a la n ds e c o n dh a r m o n i cs i g n a lc 肌b eu s e d f o re l i m i n a t i n gt h ei n t e r f e r e n c eo w i n gt ol i g h tp o w e rc h a n g i n ga n ds oo n a c c o r d i n gt ot h e d e v e l o p m e n tt r e n do ft h eo p t i c a lf i b e rg a ss e n s o r , t h em e a n i n ga n dt h ep r i n c i p l eo ft h e d i s t r i b u t e do p t i cf i b e rg a ss e n s o rn e t w o r ka r ed e s c r i b e d a g a i n , b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，ar e f l e c t i v es t r u c t u r eo fe x p e r i m e n t a lp l a ni s d e s i g n e d ，d e s c r i b e dt h ed e s i g ni d e ao ft h el i g h ts o u r c e ，s e n s o rh e a da n dp h o t o e l e c t r i cd e t e c t i o n i i i 英文摘要 s e p a r a t e l y t h e n , m a k eu s eo ft h ep l a nt ob u i l da ne x p e r i m e n t a ld e v i c ef o rm e t h a n ea b s o r p t i o n e x p e r i m e n t ，b yt h ee x p e r i m e n t a ld a t at oa n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e mi nd e t a i l f i n a l l y ，i m p r o v e dt h ed e s i g n e dp l a na n da no p e ns t r u c t u r ef o rr e f l e c t i v eo p t i c a lf i b e r m e t h a n eg a ss e n s o ri sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：m e t h a n e ；g a sd e t e c t i o n ；s p e c t r u ma b s o r p t i o n ；o p t i cf i b e rs e n s o r t h e s i s ：s t u d yo na p p l i e db a s i ca n da p p l i e dt e c h n o l o g y ( t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db y ：t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 6 0 6 5 4 0 01 ) ， t h en a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a ( 8 6 3p r o g r a m ) f n o 2 0 0 6 a a 0 6 2 210 ) ，t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 6 0 7 2 7 0 0 4 ) ，t h e n a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a ( 8 6 3p r o g r a m ) ( n o 2 0 0 7 a a 0 3 2 413 ) ) i v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：邋日期：鲨! 仝：! 堡 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着工农业的发展及科技的进步，排放出的大量废气严重地污染了人类的生存环境， 煤矿、石油及化工等行业的安全生产以及人们生活环境的保护问题越来越引起重视，尤 其是对易燃易爆和有毒有害气体及时、准确地检测，已成为工矿安全运行和人民生命及 社会财产保护急需解决的关键问题。近年来，气体检测技术已经成为传感器发展领域的 一项重要课题，研究和开发用于安全生产及环境污保护的新型气体传感器，已成为世界 各国学者的研究对象。 物质的腐烂，很容易产生甲烷气体( c n 4 ) ，因此甲烷在自然界中广泛存在，比如沼泽 地，下水道和地窖等。甲烷是一种无色无味的气体，由于高浓度的甲烷会取代空气中的 氧气，从而造成缺氧环境，因此一旦泄露将非常危险，甚至危及生命。如果空气中甲烷 所占的百分比达到9 0 的高浓度，会导致呼吸停止；8 0 会使人感到头痛，呼吸困难， 需要及时救治；2 5 - 3 0 的浓度，会出现窒息前症状如：头晕、呼吸加快、乏力、注意力 不集中、精确动作障碍等，严重地影响人们的健康，使人不能进行正常活动【l 】。 甲烷又是瓦斯气体的主要成分，约占8 3 8 9 2 1 ，遇热源和明火具有易燃易爆的特性。 按体积计算大气中的甲烷浓度，其爆炸范围在5 3 , - - 1 5 0 之间，爆炸能力最强点在浓度 为9 5 的时候1 3 】。因此还没有人员发生缺氧窒息的时候，很有可能就先发生了燃烧或者 爆炸。目前在我国煤矿安全事故多发，主要都是由于瓦斯爆炸引起的重大伤亡事故，给 人民生命和社会财产造成巨大的损失，所以瓦斯的灾害防治工作已成为煤炭安全工作的 重中之重。 甲烷主要应用于石油、化工及天然气等行业，是天然气、沼气等多种液体燃料的主 要成分，也是重要的工业原料和日常生活燃气。随着我国大量油气田的开采以及西气东 输工程的实施，进步扩大了对石油和天然气的开发与利用，如果气体发生泄漏将会引 起灾害性的事故。因此，积极预防和避免这类事故的发生并对泄漏源进行实时地监测， 具有非常重要的社会意义。 从环境保护的角度来看，温室效应是一种大气污染现象，它会直接影响人们的身体 健康。其中，甲烷是温室效应最主要的气体成分之一，它吸收红外线的能力是c 0 2 所吸 收红外线能力的1 5 3 0 倍，而且空气中的甲烷浓度增长速度很快，大约每年可增长1 4 1 。 因此，有效地监测与控制大气污染，需要研究一系列的新型气体传感器及测量技术。 综上所述，对甲烷气体浓度及时、准确地检测，在工矿安全运行、人身安全及环境 保护等方面都有着极其重要的作用。因此，该课题的开展和研究符合国民经济发展的需 求，研制和开发光纤甲烷气体传感器的意义重大，且有广阔的市场前景。 西安石油大学硕士学位论文 1 2 气体传感器概况 1 2 1 气体传感器的分类 气体传感器不仅可以检测气体种类和浓度，还可以对气体的物理和化学特性进行分 析。气体传感器实际上是将气体浓度转化成为对应电信号的一种转换器。从检测原理的 角度看，气体传感器可分为电学类气体传感器、光学类气体传感器、电化学类气体传感 器、气相色谱法、高分子材料气体传感器1 5 7 】。 a 电学类气体传感器：利用气体浓度的变化使得材料的电学参量随之发生改变 的特性而制作的一类气体传感器为电学类气体传感器。这类气体传感器主要包括：接触 燃烧式、热传导式、半导体气体传感器等。 接触燃烧式气体传感器的基本原理是：可燃性气体在气敏元件表面上发生氧化反应 后所产生的热量会改变元件的电阻值，利用这一特性来检验不同气体的浓度。其优点是： 受环境温度影响小，稳定性较高，且由于元件电阻值的变化量与气体的浓度呈线性关系， 从而使得后续电路处理简单化，处于爆炸下限的绝大多数可燃性气体都可用这种方法进 行检测；其不足是：寿命较短，一般只有1 2 年，而且当一些非可燃性气体与元件表 面的催化剂接触时，会发生反应，易引起催化剂中毒。 热传导式气体传感器的基本原理是：根据不同可燃性气体的导热系数与空气的差异 来测定气体的浓度，一般情况下，可利用电路将导热系数的差异转化为电阻值的变化。 这种气体传感器的工作过程是先将热敏元件( 如热敏电阻、铂丝或钨丝等) 放入气室中， 再向气室中送入待测气体，然后对热敏元件进行加热，当达到一定温度后，待测气体的 导热系数较高，使得热敏元件上的热量更容易散发出来，导致电阻值减小，最后通过惠 斯登电桥来测量这一阻值的变化即可得到待测气体的浓度值。 半导体式气体传感器的基本原理是：依据半导体材料的表面吸附、脱附气体分子会 使半导体的电导率发生改变这一特性来进行气体检测。它的优点是：使用寿命长、可探 测范围广、灵敏度高、成本较低，已被广泛使用；其不足是：对气体的选择性较差，相 对其他检测方法而言，误报的概率较大，而且这类传感器的输出电信号是非线性的，给 定标带来一定的困难。另外，这类传感器如果长时间与待测气体没有接触，就会发生氧 化，从而进入休眠状态，导致对气体泄漏不再作出反应。 b 光学类气体传感器：利用气体的光学特性来检测气体成分和浓度的传感器 为光学类气体传感器。根据不同的光学原理可以分为光干涉式、荧光式、光谱吸收式、 光离子式等。 光干涉式气体传感器是根据两束光的干涉原理检测气室中的折射率变化，而折射率 的变化又与待测气体浓度有直接的关系，由此可得出待测气体的浓度。将一束激光( 其 波长为a ) 分成两束，其中一束进入参考气室，另一束进入待测气室，最后将两束光汇 合在一起，从而产生干涉条纹。假设参考气室中的气体折射率为，待测气室中的气体 2 第一章绪论 折射率为行，两气室长度相等，都设为厶当在两气室中均充满参考气体时，干涉条纹 处在初始零位置：如果向待测气室中充入的气体浓度为x 时，则混合气体的折射率刀可 表示为 n - - - - n g x + n o ( 1 - x ) ( 1 1 ) 通过两气室后，两束光产生的光程差为 a l = b ( n 一) = b ( n s n o ) x ( 1 - 2 ) 在接收面上产生的第个干涉条纹的位移与待测气体的浓度满足关系式为 a l = n 旯= 6 ( 2 一) x ( 1 3 ) 因此，得到待测气体的浓度可表示为 x ：( 1 - 4 ) b( n g n o ) 如果我们知道待测气体的成份，在同温同压的情况下，干涉条纹的移动仅与气体浓 度的大小有关，因此只要测量出干涉条纹的移动数目，便可以得出待测气体的浓度。 光干涉式甲烷传感器是一种典型的光干涉式气体传感器，它被广泛应用于煤矿井下 甲烷浓度的人工检测。这种传感器体积较小，使用寿命长，测量精确；其缺点是需要经 常调校，可靠性及稳定性都不高。 红外吸收式气体传感器是根据气体特征红外吸收光谱对气体的浓度进行检测。其原 理是：不同的气体由于分子结构不同而具有不同的特征红外吸收光谱，在一定浓度范围 内，各种气体的红外吸光度值与气体的浓度呈线性关系。红外光谱法是一种非常精确的 气体检测方法，它具有灵敏度高，误报率低，高抗震和抗污染能力等优点，且不消耗气 体，易与计算机系统结合；但这种方法的缺点是成本很高，系统装置复杂，操作过程费 时。 光离子式气体传感器已有四十多年的发展历史。1 9 8 9 年，中科院生态环境研究中心 成功研制出我国第一台光离子化气体分析仪和有害气体监测仪。光离子式气体传感器的 基本原理是：在一定能量的光照射下，气体分子吸收光子后，会产生电离，这种光电离 形成的离子数与气体分子的浓度有关，因此通过测定离子数就可以得到气体分子的浓度。 但因为照射灯需要经常清洁，不便用于连续和在线分析的场合。 c 电化学类气体传感器：电化学类气体传感器的基本原理是利用电化学方法， 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。 定电位电解式气体传感器是以恒定电位对检测气体作电化学性氧化还原，通过测定 电场电流就可测得气体的浓度。它的基本原理是：把工作电极与对电极组成电极对，将 这一对电极浸入电解液中，并给电极间加上电压，就会产生极化。当工作电极为正极性， 对电极为负极性时，电解液中的负离子就会向工作电极移动，正离子向对电极移动，待 测气体扩散到工作电极上，在催化剂的作用下产生电化学反应，从而释放出电荷，使得 西安石油大学硕士学位论文 工作电极与对电极的电位发生改变，就产生了电流。电流的大小受电极的电位和气体浓 度等因素影响，当电极电位不变时，电流与气体浓度和扩散系数成正比，与扩散电极厚 度成反比。这种气体传感器主要应用于检测一氧化碳气体。 固体电解质依靠离子或质子来实现传导，利用这种固态物质制成的气体传感器其原 理是：气敏材料吸附待测气体会产生离子，根据离子的移动而形成的电势差来检测气体 浓度的大小。它主要有三种：一种是材料中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动 离子相同，如氧传感器；另一种是材料中吸附待测气体派生的离子与电解质中的移动离 子不同；还有一种是材料中吸附待测气体派生的离子、电解质中的移动离子以及材料中 的固定离子都不相同，如c 0 2 固体电解质气体传感器。 电化学类气体传感器主要应用于有毒有害气体( 如c o 、c 0 2 、h 2 、0 2 及s 0 2 等) 的检测。检测时将传感器放在待测气体附近，反应产生的电流值经过传感器转换成待测 气体的浓度值。这类传感器的优点是灵敏度高，选择性好，成本低，响应速度快，可以 很方便地用于现场检测。其缺点是：干扰气体对这类气体传感器影响较大，容易引起误 报，所以还需要增强其抗干扰能力。此外，它们的使用寿命较短，一般只有1 2 年。 d 高分子气敏材料气体传感器：高分子气敏材料气体传感器的基本原理是当 高分子气敏材料遇到特定气体时，它的一些物理特性( 如电阻、介电常数、材料表面声 波传播速度和频率、材料重量等) 会发生改变。高分子气敏材料气体传感器的优点是： 操作方便、制作工艺简单、常温选择性好、价格较低，在有毒气体和食品鲜度检测中起 着非常重要的作用。根据气敏特性可分为高分子电阻式气体传感器、声表面波( s a w ) 式 气体传感器、石英振子式气体传感器等。 e 气相色谱法：气相色谱法是利用不同物质在不同的两相中有不同的分配系( 溶 解度) ，当两相中的固定相( 色谱柱) 和流动相( 多组分物质的载体) 作相对运动时，这 些物质在两相中反复进行多次分配，结果使那些分配系数只有微小差异的组分产生很大 的分离效果，将不同组分完全分离。气相色谱法是一种色谱分析方法，它的流动相是气 体，固定相是固体或者液体，当载气携带着不同物质的混合气体通过色谱柱时，流动相 中一部分物质分子就要溶解或吸附在固定相内，随着固定相中物质分子的增加，从固定 相中又重新挥发到流动相中，这样经过反复地分配，最终达到动态平衡。物质在固定相 与流动相中浓度的比值称为分配系数k ，其值在一定的温度下为一常数。由于样气中各 物质组分的性质不同，它们在两相中的分配系数也不同，所以沿着色谱柱运动的速度也 就不同。当通过一定长度的色谱柱后，由于经过多次反复地分配，分配系数越小的组分 先被载气带出色谱柱，而分配系数大的组分后被带出色谱柱，各组分之间就拉开了距离， 因此，样气中不同物质组分先后从色谱柱中带出，实现了各种组分的分离。 由图1 1 所示气相色谱法过程示意图可知，固定相是指充入玻璃管内静止不动的一 相，流动相是指自上而下的一相，其中装有固定相的管子被称为色谱柱。流动相载气先 经管路i 进入色谱柱，再由色谱柱出来后进入热传导池，从出口i 流出；另一路气体由 4 第一章绪论 管路i i 直接进入热传导池，再从出口i i 流出。一加热体将热传导池中的两个热敏电阻 r t l 和r t 2 密闭分开，气体组分的浓度可通过桥式检测电路的输出来测得。气相色谱法是 目前最准确的一种气体检测方法，其技术含量很高，但它的分析周期长，一般不能进行 现场实时分析引。 样气入口 传 图卜1 气相色谱法检测过程示意图 1 2 2 气体传感器的主要特性 气体检测系统的核心部分是气体传感器，通过掌握气体传感器的基本工作原理，并 对各种材料的特性进行深入地研究，在设计气体传感器时，应合理选择敏感材料，尽可 能使气体传感器的特性在使用过程中达到最佳 9 1 ，气体传感器有以下几个基本特性： ( 1 ) 稳定性，是指传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力。传感器的漂移 是指在输入量保持不变的条件下，传感器输出量随着时间发生了改变。漂移现象主要受 传感器结构和周围环境等因素的影响，在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出 响应的变化称为零点漂移；当传感器连续放置在目标气体中时，其输出响应变化称为区 间漂移，它具体表现为传感器输出信号在工作时间内的降低。传感器在整个工作时间内 基本响应的稳定程度，取决于零点漂移和区间漂移。在理想情况下，一个连续工作的传 感器，每年的零点漂移不能大于1 0 。所以在设计传感器时，应根据具体的使用环境选 择合适的结构或采取适当的措施，使其具有良好的稳定性。 ( 2 ) 灵敏度，是传感器基本特性中非常重要的一个，它是指传感器输出量的变化与 引起该变化的相应输入变化量的比值，它取决于传感器的结构及所使用的检测技术。设 计出来的传感器，对待测气体的阈限值( t h r e s h o l dl i m i tv a l u e ，t l v ) 及最低爆炸限 ( l o w e s te x p l o s i v el i m i t ，l e l ) 百分比的检测都要有足够的灵敏度。 ( 3 ) 选择性，也叫交叉灵敏度。一般的测量系统中，都会存在干扰因素，气体传感 器的选择性是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的，并将该 响应折合到一定浓度的目标气体产生的传感器响应。这种特性在检测多种气体的应用中 尤为重要，测量的重复性和可靠性会受到交叉灵敏度的影响，理想的气体传感器应具有 高选择性。 西安石油大学硕士学位论文 ( 4 ) 抗腐蚀性，指气体传感器暴露于高浓度目标气体中的能力。一般在气体环境中， 传感器应能承受的气体浓度是其满载值的1 0 2 0 倍，传感器漂移和零点校正值在传感器 返回正常工作条件时应尽可能小。 除了以上介绍的这几个基本特性外，气体传感器还应具备的特性有简单实用、成本 低、使用寿命长、容易标定和维护等。光纤用于气体传感器有着常规传感器不可比拟的 优势，如安全可靠，抗电磁干扰，电绝缘性能好，灵敏度高，耐高温，耐腐蚀，易于实 现远距离传输等，特别适用于条件恶劣和危险的环境中，因而受到人们的广泛关注p 叭。 1 3 光纤气体传感技术 当光在光纤中传播时，它的一些特征参数( 如光强、相位、偏振态以及波长等) 受 到外界因素的影响，就会发生改变，利用这一特性可实现对外界因素的检测，这种传感 技术被称为光纤传感技术【l l 】。光纤传感技术是在上个世纪7 0 年代随着光纤通信技术的 发展而迅速发展起来的，它是一种以光波为载体，光纤为媒质，测量和传输待测信号的 新型传感技术。由于光波不受电磁干扰，且易被光探测器接收，通过光电转换电路后， 很容易与现代计算机技术相结合。光纤具有较宽的工作频带，且动态范围较大，是一种 优良的低损耗传输线，易于实现远距离测量；光纤也是一种优良的敏感元件，其电绝缘 性好，体积小、质量轻、易弯曲、抗电磁干扰能力强，特别适合在易燃、易爆及强电磁 干扰等恶劣环境下使用。因此，光纤传感技术一开始就受到人们的广泛关注，在各个领 域都得到了研究与应用，已成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展1 1 2 1 。目前世 界上已经研制出多种光纤传感烈1 3 2 0 ，被广泛推广到温度、位移、加速度、压力、流量、 振动及气体组分等物理量的测量。 光纤传感系统一般由光源、传输光纤、传感头、光电转换电路和信号处理部分构成， 如图1 2 所示。光源发出的光作为载波由输入光纤传输给传感头，在传感头内，光波的 某些特征参量被外界物理参量所调制，被调制的信号光由输出光纤传输到光电转换部分， 使光信号转化成为电信号，并通过信号采集部分将模拟信号转换为数字信号，然后送入 计算机，对数字信号进一步进行处理和计算，最后可得到被测物理量的大小【2 1 1 。 图1 _ 2 典型的光纤传感系统原理图 光纤气体传感器是光纤传感技术在气体检测方面的应用，其基本原理是利用气体的 物理或化学特性使光波的一些光学特性发生改变，通过检测这些光学现象从而实现对气 体的检测。近年来，光纤气体传感器在环境监测、电力系统以及油气田的开发与生产等 方面的安全保护作用受到了人们的广泛关注，尤其在强电磁干扰或易燃易爆的恶劣环境 中，对有毒有害气体进行远距离监测，更能体现其优越性【2 2 1 。目前人们研究的光纤气体 6 第一章绪论 传感器的波长范围主要集中在1 0 2 0 9 m ，而且气体的种类也不多，传感器成本较高， 由于现有技术条件的限制，系统的性能还有待提高。随着光源和探测器等技术的发展， 光纤气体传感器的性能指标将进一步提高，而且人们会不断研制出新型的气体传感器， 以满足实际应用的需求。从发展的角度讲，应用多路复用技术构成传感网络实现多点或 分布式测量，或用一个传感头实现对多种气体的同时测量l z 3 】，将成为光纤传感技术的发 展趋势。另外，由于许多气体在红外波段上有较强的吸收峰，因此我们可以将光纤气体 传感器的工作波长拓展到红外波段，同时采用比较简单的信号处理方法，从而进一步提 高传感器的灵敏度。 1 3 1 光纤气体传感器的分类 光纤气体传感器根据光纤的作用一般可分为两类：一类是把光纤作为敏感元件，利 用光纤的一些特性对气体进行测量，它属于本征型光纤气体传感器，也被称为传感型光 纤气体传感器，如渐逝场型光纤传感器等；光纤仅作为光的一种传输介质，而利用其他 敏感元件对气体进行测量的一类被称为非本征型光纤气体传感器，又叫做传光型光纤气 体传感器或，如光干涉型、荧光型、光谱吸收型光纤传感器等。下面将介绍其中几种常 见的光纤气体传感器 2 4 2 6 。 a 光谱吸收型光纤气体传感器：光谱吸收型光纤气体传感器结合了光谱分析 技术和现代光纤技术，它利用光纤的特点，将以前主要在实验室进行气体分析的光谱分 析技术发展为对气体的在线监测仪器，光谱吸收型光纤气体传感器在探测灵敏度、远程 遥测、多点网络化测量等方面都有所突破。光谱吸收型气体传感器是一种传光型光纤传 感器，它采用普通光纤或多模光纤作为信号传输介质，根据气体在光纤低损耗窗口 ( 0 8 1 7 肛1 ) 内的吸收峰，利用气室作为敏感元件对气体进行光谱吸收测量，光通过气室 时被气室内的待测气体吸收，使其光强发生变化，依据l a m b e r t b e e r 定律，得到待测气 体的浓度。 一般的光谱吸收型光纤气体传感系统的原理如图1 3 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。 仁一气体导入 c 令气体导出 图1 - 3 光谱吸收型光纤气体传感器原理框图 光谱吸收型光纤气体传感器是气体传感器中研究的最多的一种，并且也是最接近于 实用化的一种。它的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 7 西安石油大学硕士学位论文 的吸收谱线，就可以用同样的方法来检测不同种类的气体。这种气体传感器需要解决的 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， 严重地影响了检测的灵敏度，能够有效提高灵敏度的方法是选择与气体吸收峰对应的窄 带激光器，或者利用宽带光源和梳状滤波器的组合，也可以通过改进检测方法来提高传 感器的探测灵敏度，例如如差分检测法，二次谐波检测法等，光谱吸收式光纤甲烷气体 传感器也可以按照检测原理的不同进行分类。 b 渐逝场型光纤气体传感器：光在介质界面发生全反射时，并不是所有的光 都能被反射回去，尤其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。光波在光纤中传播时，光在光纤芯子和包层的界面上发生全反射，包 层中存在以光轴为中心，向两侧迅速衰减的渐逝波。渐逝场型气体传感器的基本原理是： 当在渐逝场区域内存在某种吸收介质时，全反射的光波其能量发生衰减，通过对光能的 衰减量进行测量，就可以计算出气体的浓度。渐逝场型气体传感器的主要优点是传感距 离长、结构稳定，且有利于实现分布式测量网络及远距遥测。 图1 4 所示的是一种典型的光纤渐逝场气体传感器，其基本原理是将普通光纤的包 层去掉一部分，形成d 型光纤( d f i b e r ) ，使得包层中的一部分光波能量置于待测环境中， 待测气体与渐逝场中的光波相互作用而产生吸收，使得出射光强发生改变。这种传感器 的缺点是：由于只有很小一部分光波能量被分配到渐逝场，导致传感器的测量精度不高； 并且d 型光纤弯曲的取向不同会给测量带来影响，降低检测灵敏度；光纤裸露部分的表 面污染也会降低传感器的灵敏度，严重时甚至会导致测量结果的错误，虽然采用高分子 膜可挡住较大的污染物，但其它一些体积很小的分子仍能通过高分子膜，从而进入渐逝 场区，影响传感器的性能。 边 图1 - 4d 型光纤气体传感器原理图 8 第一章绪论 c 荧光型光纤气体传感器：光纤荧光型气体传感器的基本原理是通过测量与 气体相应的荧光辐射来确定其浓度，被测气体本身可以产生荧光，或者与被测气体相互 作用的荧光燃料也可以产生荧光，荧光物质受一定波长的光照射时，会引起荧光强度的 下降和荧光寿命的缩短，相对应存在两种传感机理：一种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 一沃尔玛( s t e m v o l m e r ) 方程来描述，即 善：三：x + c 0 - 5 )一= 一= + ，of o 式中表示有气体时荧光的强度；1 0 表示没有气体时荧光的强度；f 表示有气体时的荧 光寿命；0 表示没有气体时的荧光寿命；c 为被测气体的浓度；k 为s t e m - v o l m e r 常数。 由上式可见，无论是对荧光辐射的强度变化量还是寿命变化量进行测量，均可以得到气 体的浓度信息。相比而言，荧光寿命的测量比较复杂，但它不易受到外界因素变化的影 响，测量荧光寿命的方法通常有脉冲时延法和相移法，在这里不作详述。 荧光型光纤气体传感器一般将荧光物质涂敷在光纤的一端，光从光纤的另一端输入， 照射到荧光物质上产生荧光，荧光受到外界气体浓度的调制，然后从端面反射回来被探 测单元接收，形成反射式传感结构。通常情况下，由于不同的荧光材料具有不同的荧光 波长，因此荧光型光纤气体传感器对被测量的鉴别性能较好。荧光型光纤气体传感器的 主要缺点是信号微弱，检测系统复杂，系统成本较高。 d 染料指示剂型光纤气体传感器：由于一些气体在光纤的低损耗窗口内的吸 收峰很弱，或者即使有较强的吸收峰，但不存在相应波长的光源或探测器，或其价格过 于昂贵，应用染料指示剂可以解决这些问题，其原理是利用染料指示剂作为中间物来实 现间接传感，当被测气体遇到染料时，会与其发生化学反应，从而改变了染料的光学性 质，最后通过光纤传感器来测量这种变化，就可以得出被测气体的信息。 p h 值传感器就是一种最常用的染料指示剂型光纤气体传感器，当p h 值变化时，一 些染料指示剂( 如石蕊或酚红试纸) 的颜色也会随之发生改变，从而对光的吸收产生变 化。当某种气体的浓度改变时，会引起p h 值的变化，就可以通过此方法分析气体的浓 度信息，如n 2 ，c 0 2 等气体的浓度就可通过测量相应溶液的p h 值来确定。这种传感器 具有体积小、成本低廉、结构简单的优点；但其不足是对气体的鉴别性较差，很难作为 气体检测的唯一依据。近年来，选择新的染料指示剂和研究新的传感结构成为它的主要 发展方向。 e 折射率变化型光纤气体传感器：如果在裸露的纤芯表面或是端面涂敷一层 特殊的材料，当这种材料与气体发生作用时，致使其折射率改变，从而会引起波导的参 数( 如有效折射率、损耗、双折射等) 变化，通过光强检测或干涉测量方法来检测参数 的变化量，就可以对气体成分和浓度进行的测量。折射率变化型光纤气体传感器的基本 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的干涉，形成m i c h e l s o n 9 西安石油大学硕士学位论文 干涉仪、m a c h z e h n d e r 干涉仪、f e b r y p e r o t 干涉仪等，再通过对干涉仪输出的光强变化 量进行测量，就可得到气体的浓度信息。 材料折射率和光纤光强间的相互作用可由光波导以及光纤扰模理论来解释，光纤光 强的相对变化与介质折射率变化的关系可表示为 ：譬粤：y ( 么a n + b + c ) ( 1 - 6 ) 磊 。、7 式中，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。 通过检测光纤端面处光强的相对变化量就可以测得气体浓度，从而能够灵敏地反映 外界环境中的气体扰动，并且扰动程度的增加会使传感头对环境干扰的变化更加敏感， 这是一种传统的折射率变化型光纤气体传感方法。采用模式滤光检测法( m o d e f i l t e r e d l i g h td e t e c t i o n ) 是一种提高此类传感器灵敏度的有效途径。 多点复用型光纤气体传感器：多点复用型光纤气体传感器是通过使用一个 光源，利用多路传感光纤来实现对不同点气体浓度信息的测量，是光纤气体传感器发展 的方向，也是目前研究的重点。采用光纤局域网技术，把多个气体传感器组成一个复杂 分布式的传感网络，系统通过共享光源和信号检测处理部分，便可大大降低其成本，同 时增强了系统的可靠性。 多点复用型光纤气体传感器的复用方式按其工作原理可分为时分复用t d m ( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x e d ) ，频分复用f d m ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x e d ) ，码分复用 c d m ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x e d ) ，波分复用w i ) m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x e d ) 以及 串连的光时域反射等技术。按网络拓扑结构来分，有星型网络，树型网络，梯形网络， 环形网络及线性阵列型网络等。 以上我们对光纤气体传感器的分类进行了简单的总结，在实际应用中，气体传感器 可能是几种不同类型的有效组合。光纤气体传感器