（电力电子与电力传动专业论文）光谱吸收型光纤气体传感器的研究.pdf

a b s t r a c t o p t i c a lf i b e rg a s e ss e n s i n gt e c h n o l o g yi s an o v e ld i s c i p l i n e ，w h i c hh a saw i d e a p p l i c a b l ep r o s p e c ti n i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n ga n dm e d i c a l s c i e n c e i nr e c e n ty e a r s w i mt h ed e v e l o p m e n to f o p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g yt h e r e s e a r c ho f o p t i c a lf i b e rg a ss e n s o r sh a sb e e ns e r i o u s l yr e g a r d e da l lo v e rt h ew o r l d ， t h e s i g n a ld e t e c t e db yo p t i c a lf i b e rg a ss e n s o r si sc a r r i e db yl i g h tw a v e ，w h i c hh a sa s m a l li n t e r f e r e n c eo ns u r r o u n d i n g s w i t ht h e i r q u a l i t i e s o fn oe l e c t r i c i t yo ns e n s e o r g a na n d b l a s tp r o o fi ne s s e n c e ，t h e yc a nb eu s e da so n - l i n ed e t e c t i o no ff l a m m a b l e a n d e x p l o d i n gg a s e si ni n d u s t r y i nt h i st h e s i s ，w eh a v es t u d i e ds p e c t r u ma b s o r p t i v eo p t i c a lf i b e rg a ss e n s o r s e a c h k i n do fg a s e sh a si n h e r e n ta b s o r p t i v e s p e c t r u m w h e n al i g h ts o t f f c e se m i t t e d w a v e l e n g t h i s c o r r e s p o n d i n g t ot h e g a s sa b s o r p t i v ew a v e l e n g t h ，r e s o n a t i n g a b s o r p t i o n w i l l h a p p e n a n d t h e a b s o r p t i v ei n t e n s i t y i sr e l a t e dt ot h e g a s s c o n c e n t r a t i o n t h e g a s s c o n c e n t r a t i o nc a l lb ek n o w nb yt h ed e t e c t i o no fl i g h t a b s o r p t i v ei n t e n s i t y t w o k i n d so f p r o j e c t s w e r e p r o v i d e d i nt h e p a p e r a n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw a s d o n eo nt h ed e t e c t i o no f a c e t y l e n e o u rm a i nw o r k sa r e ： 1 t h er e s e a r c hs t a t u sa b o u ts p e c t r u ma b s o r p t i v eo p t i c a lf i b e rg a ss e n s o r sa th o m e a n da b r o a dw a ss t u d i e da n da n a l y z e d d i f f e r e n tm e t h o d sh a dt h e i ro w n a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s n o v e l e x p e r i m e n t s c h e m e sw e r e d e s i g n e d t o i m p r o v e t h e p r e c i s i o na n da p p l i c a b i l i t yo f g a s s e n s o r s ， 2 t h r o u g ha n a l y z i n g t h eg a s sa b s o r p t i v es p e c t r u m ，t w oe x p e r i m e n ts c h e m e sw e r e p r o v i d e do n t h eb a s i so fe x i s t i n gl i g h ts o u r c e so nt h em a r k e t t h e yw e r es e p a r a t e l y o p t i c a lf i b e rg a ss e n s o rb a s e d o nd f bl da n do p t i c a lf i b e rg a ss e n s o rb a s e do n t u n a b l e f a b r y p e r o tc a v i t y t h ei s s u eo f t h ef i r s tn a n w a sh a r m o n i cd e t e c t i o n w h i l e t h ei i m o v a t i o no fs e c o n dp l a nw a ss e v e r a lk i n d so fg a s e se a r lb ed e t e c t e db yt h e d e m o d u l a t i o no f t u n a b l ef a b r y p e r o tc a v i t y 3 t w op r o j e c t s l i g h tp m ha n dc i r c u i tw e r ed e s i g n e ds e p a r a t e l y t h e i rp c b s ( p r i n t c i r c u i tb o a r d s ) w e r ee x e c u t e d h a r d w a r e sp e r f o r m a n c ew a so p t i m i z e db yc i r c u i t 删u s t m e n tw h i l et h es e n s o r ss i g n a lw a sp r o c e s s e db yc o m p u t e r a n dt h et a s ko f d e t e c t i n gg a s e sc o n c e n t r a t i o nw a s f i n i s h e d 4 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw a s d o n eb a s e do nt h e s et w o p l a n s t a k et h ee x a m p l e o f a c e t y l e n e ；t h er e s p o n s ec u r v eo fa c e t y l e n eg a sw a sp l o t t e d o t h e rg a s e s c o n c e n t r a t i o n c a l lb ed e t e c t e d1 i k et h i s 5 c o m p a r i n g t h e s et w o p l a n s ：o p t i c a lf i b e r g a ss e n s o rb a s e do i ld f bl dh a st h e a d v a n t a g e so fh i 曲d e t e c t i n gp r e c i s i o n ，q u i c kr e s p o n s er a t ea n dg o o ds t a b i l i t y b u ta l i g h ts o u r c ec a nd e t e c to n l yo n ek i n do fg a s e s o p t i c a lf i b e rg a s s e n s o rb a s e do n t u n a b l ef a b r y p e r o tc a v i t yc a nb eu s e dt od e t e c ts e v e r a lk i n d so fg a s e s b u ti t sc o s t i sh i g ha tt h ep r e s e n tt i m e k e y w o r d s ：o p t i c a lf i b e rg a ss e n s o r s ，d e t e c t i o n o fg a s e sc o n c e n t r a t i o n ，s p e c t r u m a b s o r p t i o n 武汉理_ l 人学硕士学位论文 第一章绪论 当今社会是信息化的社会，信息技术对社会发展和科技进步起决定性的作 用。现代信息技术的基础是信息的采集、传输和处理，相对应为传感技术、通 信技术和计算机技术，而作为现代信息技术三大核心技术之一的传感技术，处 于信息采集系统的最前沿，它的性能将直接影响整个信息系统的准确性和正确 性。 光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代未随着光纤的实用化和光通信技术的发展 而形成的。自从1 9 7 0 年美国康宁公司成功研制出世界上第一根实用化的石英光 纤以来，在短短几十年中，光纤通信迅速发展成为通讯领域的一大产业。然而 在光通信过程中，由于光纤易受到温度、压力等环境因素的影响，而导致光强、 相位、频率等光波参数的变化，这对通信应用是不利的，但却因此构成了一种 新的信息交换的基础，并演绎出一门全新的技术光纤传感技术。光纤传感 器与传统的传感器相比主要差别在于：传统的传感器是以应变一电量为基础，以 电信号为转换及传输的载体，用导线传输电信号；而光纤传感器是以光信号为 变换和传输的载体，利用光纤传输信号，具有许多的优点【l ，2 ，3 】： ( 1 )极强的抗电磁场干扰能力，优良的电绝缘性和耐腐蚀性，是一种本 质安全型的传感器。它利用光波和光纤来探测和传输信息，而光纤 又是极好的电绝缘和耐腐蚀的传输媒质，光纤本身既不受外界电磁 场的干扰，也不会影响外界的电磁场。这使得它在各种大型机电、 石油化工、冶金、高电压设备、及强电磁干扰、易燃、易爆、强腐 蚀环境中能方便、有效地完成传感功能； ( 2 )灵敏度高，由于可以使用几米甚至成百上千米的光纤构成敏感探头， 故可以大大增加信息提取得灵敏度； ( 3 )重量轻，体积小，外形可变。重量轻、体积小是光纤本身固有的特 性，而光纤柔软可绕的特性，则可用它构成外形各异尺寸不同的传 感探头； ( 4 )动态范围大：光纤传感器的载体是光，其频率高，传感器频带范围 很宽，动态范围很大： ( 5 )测量对象广范：可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电 流、气体浓度等多种物理量和化学量； 武汉理t 大学硕十学位论文 ( 6 )便于复用，易于成网，有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤 传感网络； ( 7 )对被测介质影响小； 正是由于光纤传感器具有诸多优点，可以解决许多传统传感器无法解决的 问题，所以被广泛应用于医疗、交通、电力、机械、石油化工、民用建筑以及 航空航天等各个领域。随着信息高速公路热潮的到来，光纤传感技术将走进千 家万户，深入到民用和军事的各个方面。 1 1 气体传感技术综述 气体浓度的快速准确检测是环保监控、安全生产、医疗监护、工业过程必 不可少的关键技术，在煤炭、石油化工、冶金、电力、农业、医疗等行业以及 环保工程和生物工程等方面都有着广泛的用途，它对于防止环境污染、保证生 产安全、提高产品质量、降低能源消耗都十分重要。如工业生产中使用的气体 原料和在生产过程中产生的气体的种类和数量随着工业的发展而越来越多，这 些气体中，有毒性气体和可燃性气体不仅污染环境，而且有产生爆炸、火灾和 使人中毒的危险，对这些气体迅速准确地检测将有效地防止此类恶性事件的发 生。此外汽车工业的蓬勃发展，家庭液化石油气、煤气和天然气的广泛使用也 对气体传感器提出了更广更高的要求，所以，对气体传感器的研究已经引起全 人类的重视。目前已开发出了氧化物半导体气体传感器、固体电解质气体传感 器、有机半导体气体传感器、石英振子气体传感器、场效应气体传感器、热催 化气体传感器、表面声波气体传感器、光学气体传感器、气相色谱分析传感器 等9 种形式1 4 , 5 1 ，其中氧化物半导体和固体电解质气体传感器是主流产品，它们 的产量最大、应用最广。 随着经济与科技的发展，人们对气体传感器提出了越来越高的要求，传统 的气体传感器渐渐的暴露了自身的一些弱点，如半导体气体传感器普遍存在易 中毒、测量精度低、抗干扰能力差的问题，而且在石油、化工等易燃易爆环境 中使用这类传感器还会带来安全方面的隐患。因此，开发先进的新型的气体传 感器成为一项紧迫的任务，而近年来迅速发展的光纤气体传感器具有传统气体 传感器无可比拟的优点，正在成为越来越多的人的研究对象，代表了气体传感 技术的一个重要的发展方向。 武汉理 ：人学硕+ 学位论文 1 2 光纤气体传感器的介绍 1 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【6 叫。 1 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【1 0 1 。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，男一类是测量荧光 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1 1 叭。 1 2 12 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、”】。 武汉理_ r 大学硕士学位论文 气体对某些特定频率的光能吸收后的效应主要表现为直接吸收效应和吸收 后的热效应，这两种效应导致不同的传感形式。窄谱线激光器光源和差分吸收 技术在赢接吸收效应的光纤气体传感器中得到较好的应用i 】j 】。声光信号检测则 是根据吸收光能后的热效应的一种检测技术。光一声效应所产生的声波的振幅 直接与入射光强度和吸收气体样本的浓度相关【1 ，但由于它要求光源的输入功 率大，气室设计复杂，而且探头带电，使得检测灵敏度较高的一种气体浓度测 量方法在实际应用中受到限制。 1 2 2 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。光纤气敏传感存在两个基本限制：一是 光纤的低损耗传输窗1 5 的限制，石英光纤只在1 1 1 7 9 i n 的近红外区有低损耗 和低色裂”j 。若在中、远红外区进行探测会造成光信号较大的衰减，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谱线。另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。 尽管光纤气体传感存在限制，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 6 q0 ： ( 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，寿翕长。成本低，可同时进行多参数 或连续多点检测以获得大量信息； ( 4 ) 系统匹配性能好，容易实现监测及反馈控制的数字化、自动化和体化： ( 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电的安全性，使之尤其 适用于生物和临床医学上的实时、体内检测； ( 7 ) 在大多数情况下，光纤气体传感器不改变样品的组成，是非破坏性分析。 由于光纤气体传感器具有上述优点，尤其是它的本质安全、抗电磁干扰的 特点，是其它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、 强电磁干扰或其它恶劣环境中气体的检测【2 “j 。 武汉理二：大学硕+ 学位论文 1 2 3 光谱吸收型光纤气体传感器的市场背景 目前在国内气体分析仪领域，红外气体分析仪仍然是一种“贵族”型的仪器， 国内仪器价格在3 7 万，国外价格在7 1 5 万，因此国内电化学传感器的仪器 使用较为广泛。单气体电化学仪器一般价格在一万元左右，其关键部件的传感 器寿命一般为1 2 年，如果长期使用，实际上其成本也不低【2 5 】。本课题研究的 红外光谱吸收型光纤气体传感器不仅可以代替传统的电化学仪器，同时对传统 红外气体分析仪提出了挑战。 本课题研究的红外光谱吸收型光纤气体传感器在环保监测、煤炭、石油、化 工、冶金、电力、烟草、食品、制药、进出口检疫、粮食储备过程气体浓度监 测、生物工程等方面都有着广泛的用途，有着巨大的潜在市场，以下就几个主 要细分市场进行分析。 ( 1 ) 红外煤矿瓦斯监测 瓦斯是煤矿开采的伴生物，为煤矿灾害之首，对煤矿安全生产威胁最大。 瓦斯事故是造成煤矿死亡的主要原因之。2 0 0 1 年全国煤矿事故死亡5 6 7 0 人， 瓦斯事故死亡2 4 3 6 人，占死亡总人数的4 3 。特别是近几年来发生的几起煤矿 瓦斯爆炸特大事故，造成了重大人员伤亡和经济损失，教训l 深刻。 国家煤矿安全管理部门要求一旦煤矿瓦斯浓度超标，则要求井下作业设备 必须断电，出于传统热催化探头测量精度低，需要经常标定，往往因为瓦斯传 感器的误报使得设备停止运行。而红外瓦斯传感器由于测量精度高，稳定性好， 很好的解决了煤矿瓦斯报警的问题。 全国现有煤炭企业近3 0 0 0 家，按每家煤炭企业需要1 0 0 台瓦斯气体变送监 测装置计算，煤炭行业就需要3 0 万台的煤矿瓦斯监测仪用于安全生产。以此类 产品6 年的生命周期，平均每年的市场量就在5 万台以上，此外每年还有近1 5 万台的便携瓦斯监测仪的需求。以每台监测仪仪器4 0 0 0 元以及便携仪2 5 0 0 元 的价格计算，每年就有近5 亿元的产值。 ( 2 ) 汽车排气检测 汽车消费是我国近年来的消费热点，汽车在运行中会排出多种有害气体， 造成大气污染。控制并降低汽车排气污染已成为世界性课题。汽车排放的主要 污染物是：一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物等。红外法排气检测已经确定 为我国的标准。根据最新的汽车维修行业开业技术条件，所有汽车维修企业都 必须配备排气检测设备。汽车排气检测仪的市场需求量为1 5 万台以上，总产值 近8 0 0 0 万。 武汉理j ：大学硕士学位论文 ( 3 ) 可燃气变送器和检测仪 主要应用于石油、石化、天然气等行业，随着我国大量气田的开采，以及 西气东输的实施，对可燃气检测的需求进一“步加大。 以往可燃气检测都采用热催化探头进行，首先其测量精度低，需要经常标 定，此外在石化、天然气等缺氧环境还不能使用，同时其使用寿命只有一年左 右。因此新型的长寿命、高精度红外可燃气检测技术是本行业的发展趋势，这 也被圈际上可燃气变送器生产厂家都投入到红外气体分析方法的研究上来德到 应证。可燃气变送器和检测仪在国内每年的销售数量在5 万套左右，总价值在 6 0 0 0 万以上。 ( 4 ) 医疗过程气体分析 呼吸末c 0 2 监测已是发达国家进行麻醉手术的必须设备，由于其使用方便， 且为无创监护，因此得到普遍认可。但是由于不能实现呼吸末c o g 模块的国产 化，监护仪器、麻醉机、呼吸机等企业不得不从国外购买o e m 的模块。价格在 1 0 0 0 美元左右，比较昂贵，限制了具备c o ：检测功能的国产监护仪在医院的普 遍使用。 由于国产监护仪具有价格低以及本地化服务的特点，其在整个监护仪器的 市场中的比例已经占据主导地位，而国产监护仪由于担心配置进口c 0 2 和麻醉 气如n 2 0 分析模块会大大提高仪器设备的价格，因此很少配备这些模块。因此 国产化的c 0 2 模块以及麻醉气模块的推出对于提高国产监护仪的整体水平意义 重大。 据统计，国内需要配备心电监护设备的县级以上医院有1 5 0 0 0 多家，每年 至少需要1 5 万台监护仪。按每台5 8 万元计算，则市场需求潜力为7 5 1 2 0 亿人 民币。按这些监护仪中1 0 配备c 0 2 监测模块，则每年就有5 0 0 0 万元的产值。 ( 5 ) 工业过程监测 在环保领域，全国石油、天然气、冶余、化工、建材和城市垃圾焚烧厂等 有1 8 ，0 0 0 个重点控制污染源，为了实现达标排放，企业必须安装污染物排放 监测系统。因此高效、便捷、稳定的环境污染监测仪器设备其市场发展前景十 分广阔。 以上分析表明，红外气体传感器是不同行业应用中气体分析的关键共性技 术，在不同行业中均有广泛的市场。对于目前市场开发而言：汽车排气检测、 连续污染物检测、分析仪器行业的配套传感器是现成的市场，只要产品质量稳 定，进入市场是十分容易的。 武汉理t 大学硕十学位论文 1 3 国内外研究现状和水平 国外发达国家在气体在线检测仪器研究和应用方面相对起步较早，现已研 制出的基于光干涉原理、热催化原理、热导原理的传感器都在气体检测中起到 了推动作用。 自美国首先报道了基于光吸收的光纤氨气气体传感器以来，已报道t 3 0 多 种吸收型光纤气体传感器，分别用于c o ，、c h 。、s 0 2 、0 ，、h ，0 、n 0 2 、h ，s 、 h c n 、n h ，、h c l 、c o 等气体的检测，配有光纤的血气分析仪也已有商品问 世，并已成功的用于心肺外科手术；另外，对一些恶劣环境( 如易燃、易爆、 剧毒、放射性等) 中的气体的远距离检测也已经实现。 在近红外波段，气体吸收的微弱信号检测是吸收型光纤气体传感器的关键 技术。最早从1 9 7 9 年起，光谱吸收型光纤传感技术采用l e d 光源，对n 0 2 、c h 4 等进行检测【2 8 ，列j ，一些可燃易爆的有机分子气体，如c s h 8 ，q 协、c 2 h 2 、c 2 h 6 和c 4 h 1 0 的光纤远程测量也见诸于报道。分布反馈式激光器( d i s t r i b u t i o n f e e d b a c k l a s e rd i o d e ，d f bl d ) 的出现使光纤气体传感精度有了巨大提高，室温下_ 甲烷气 体最小可探测灵敏度可达2 0 p p m ，而且d f b 激光器可检测的气体种类也越来越 多，如c h 4 ( 1 6 6 5 i _ t m ) 、c 0 2 ( 1 5 7 3 9 r n ) 、c o ( 1 5 6 7 1 x m ) 、n h 3 ( 1 5 4 4 i t m ) 、 h 2 s ( 1 5 7 8 t t m ) 、0 2 ( o 7 6 1 岬) 等【3 0 。3 “。尽管光纤气体传感技术已有数年的研 究，但始终难以实用化。气体传感波段的d f b 激光器成本居高不下，单个激光 器就要上万元，对于单点光纤气体传感系统，如此高的成本将限制它与电类传 感器的竞争。人们开始研究利用光纤巨大的带宽和易于成网的特性进行多点光 纤气体传感，使多个光纤气体传感探头共用同一个激光光源或者同一套信号处 理设备，大大降低成本。 1 9 9 8 年，英国s t r a t h c l y d e 大学的g s t e w a r t 报道了一套利用空分复用方式 工作的多点光纤气体传感系统。实验结果显示在复用数量不多的情况下，它的 精度与单点系统相当。1 9 9 9 年，香港理工大学靳伟博士领导的研究小组对时分 多路复用( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e ，t d m ) 技术用于光纤气体传感进行分析，给 出了一个理论模型，对复用数量和灵敏度作出了理论预测，实现了一套t d m 复 用的多点光纤传感系统，实验结果与理论预测相符合。之后，与清华大学合作， 实现了一套频率调制连续波f m c w ( f r e q u e n c y m o d u l a t e dc o n t i n u o u sw a v e ) 复 用的多点光纤乙炔气体传感系统。2 0 0 0 年，m i h a z a v r s n i k 报道了基于相干复用 的串联的光纤气体传感复用系统，这可以说是目前多点光纤气体传感网络的最 简单结构，但是由于串联系统本身固有结构的限制，这个系统的各传感单元间 串扰复杂，测量数目以及测量灵敏度都不是特别高p 0 3 6 j 。 1 武汉理1 大学硕士学位论文 由此看来，光纤气体传感技术的发展是从利用宽带光源到利用窄带可调谐 光源，从单点测量到多点同时监测的过程，测量灵敏度也是逐步提高，单点测 量成本越来越低，离实用化仅一步之遥。 此外，把光纤技术、计算机信号处理技术和气体吸收型传感器结合用于气 体测量已成为国际上的研究热点。例如，德国西门子公司研制的“环境污染光 学遥测仪”是测量多种气体含量的高技术产品，它把光纤作为激光与传输信号 的传输媒介，既可单点测量又可多点分布式在线检测，测量探头与测量主机用 光纤分开，使测量更加便捷灵活，从而使得对气体的检测走出实验室并用于现 场实时监测3 7 , 3 8 1 。在国外，多功能多参数光纤气体吸收式传感器的研究与开发已 经取得了飞速的发展。f 因为光纤气体传感器拥有诸多的优点，现在很多国家 也丌始着手于这方面的研究。 我国对光纤气体传感器的研究开始于2 0 世纪9 0 年代中期，比美国晚了将近 十年，同时由于国内精加工工艺的落后，也在一定程度上制约了研究工作的开 展。但总的说来，发展的速度很快，并且已经形成一定规模，且发展势头良好， 在某些传感器的研究上已经达到国际先进水平。 1 4 课题的目的、意义及主要研究内容 对于甲烷、硫化氢等气体的检测在环境监测、工业控制等领域都非常重 要，人们对发展快速、灵敏和有效的气体检测手段的需求十分迫切。传统用于 检测气体的气体传感器大多数通过其探头的电阻或电容变化来测定气体浓度， 其灵敏度低，抗干扰能力差。在工业生产自动控制中则主要采用气相色谱仪与 计算机联用来检测气体，由于现场环境恶劣，其检测效果普遍不好，而且该设 备十分昂贵，增加了生产的成本。由于光纤传感器具有体积小，抗干扰能力强， 测量精度高，可远离现场检测等优点，因此能可靠用于工业现场条件的光纤气 体传感器日益得到人们的重视【3 生。 进入9 0 年代，随着科学技术的发展，人们生活水平的提高，对气体传感器 的要求也不断提高。在煤矿、钢铁厂、化工厂等场合，都需要检测气体的浓度， 对于某些有毒气体，要求能检测到很低的浓度。由于光纤气体传感器具有本质 安全、抗电磁干扰、灵敏度高、动态范围大、响应速度快等特点，因此，光纤 气体传感器的研究和发展前景广阔，对于社会和现代经济的发展具有十分重要 的意义。它的应用也将会越来越广泛，其产生的社会价值也是无法估量的。 武汉理t 大学硕上学位论文 本论文的研究目标：分析光谱吸收型光纤气体传感器的原理、特性及工作特 点，设计出基于l d 光源和基于可调法布里一珀罗腔的光纤气体传感器，来测量 气体的浓度，要求传感器具有检测精度高、响应速度快、稳定性和可重复性好 等特点；对两种方案的传感特性进行比较，通过实验考察其性能指标：测量范 围、检测精度、稳定性、线性度等。 本论文的研究内容为： l 、气体光谱吸收原理的研究以及光源的选择：分别选择l e d 和d f bl d 作 为光源，设计了两套实验方案，即基于可调谐法布里腔的光纤气体传感器和基 于d f bl d 的光纤气体传感器。 2 、基于d f bl d 光纤气体传感器的系统构建，以及最后的信号处理。以乙 炔气体为例，进行实验研究初步得到乙炔气体的浓度检测曲线，其它气体的检 测可按类似方法进行。 3 、可调法布罩一珀罗腔的选频特性和温漂特性以及对可调法布里腔的温度 漂移所带来的影响及解决办法的研究。 4 、基于可调谐法布里腔的光纤气体传感器的系统构建以及信号处理。 5 、实验数据处理以及传感器的特性分析。 武汉理t 大学硕士学位论文 第二章红外光谱吸收型光纤气体传感器的 原理及方法研究 2 1 气体光谱吸收原理 每一种气体都有固有的吸收光谱，表2 - 1 为几种常见气体吸收光谱的特征吸 收峰波长 4 1 a 2 。当光源的发射波长与气体的吸收波长相吻合时，就会发生共振吸 收，其吸收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。当一束光强为易的输入平行光通过待测气体时，如果光源光谱覆盖一个 或多个气体的吸收谱线，则光通过气体时发生衰减。根据比尔一朗伯特( b e e r - - l a m b e r t ) 定律，出射光强，与入射光强而和气体的体积分数之间的关系为式 ( 2 1 ) 卢i o e x p 一n ( v ) c l ( 2 - 1 ) 式中，a ( 订为气体吸收系数，即气体在一定频率v 处的吸收线型；为吸收路 径的长度；c 为气体的浓度；，和i o 的单位是坎德拉。对( 2 - 1 ) 式进行变换可得( 2 2 ) 1 n ( i ，o ) d ( v ) 三 ( 2 - 2 ) 从式( 2 2 ) 可知，如果l 、a ( v ) 已知，那么通过检测 i o 就可以得到气体的体积分 数c 。 从表2 1 可以看出，c 0 2 、c h 4 、h 2 0 、c o 、c 2 h 2 ，h 2 s 、n h 3 等气体都在 近红外波段存在吸收峰。 武汉理j ：人学硕十学位论文 表2 1一些气体在近红外波段的特征吸收峰波长 气体种类气体吸收峰波k ( 近红外波段) 可能的污染来源 氧气晚 07 6 1 m 二二氧化碳c 0 21 5 7 3 i t m发动机废气，发电厂废气 甲烷c h 4 1 6 6 5 n 煤矿煤层气体 水蒸气玩01 ，3 6 5 t t m ：氧化氮n o ： 0 8 0 9 m 上业废气 一氧化碳c ol ，5 6 7 “m发动机废气，发电厂废气 乙炔c 2 h 21 5 3 0 1 t m发动机废气，可燃易爆气体 硫化氢巩s1 5 7 8 p m工业废气 氨气n h s1 5 4 4 u m 工业废气 2 1 1 吸收路径的长度对传感器测量灵敏度的影响 吸收路径的长度l 对传感器测量灵敏度有很大的影响，下面以甲烷气体为 例，分析一_ 卜- 长度l 和测量灵敏度的关系。由式( 2 一1 ) 可得， j o = e x pf ( c l 】 ( 2 3 ) 在式( 2 3 ) 中，i o 为出射光强与入射光强之比，称为透光率；a c v ) 为气体吸收 系数，如果气体浓度c 以大气压( a t m ) 作单位，吸收路径的长度l 的单位是厘米 ( c m ) ，则癌( v ) 的单位是a t m - 1 c m 一。甲烷气体在1 6 6 舡m 处的吸收系数为o 1 4 ( a t m c 聊) 4 2 1 。在此采用体积百分数表示气体的浓度，体积百分比浓度和大气压 浓度可以进行换算。 气体浓度f 分别取值为o 0 0 1 ，o 1 ，1 ，1 0 ，5 0 ，得到透光率1 l o 和l 的关系曲线如图2 - 1 ，2 - 2 ，2 - 3 所示。 武汉理兰：签兰堡主堂垒迨茎 一一 一 图2 1 气体浓度为o 0 0 1 时如和l 的关系曲线 2 - 2 气体浓度为0 1 和1 时j 而和l 的关系曲线 1 2 冀u 褂捌魁求 酱v 得埘军f 武汉理t i 大学领士学位论文 气体浓度c = 1 0 与c = 5 口 d i c = 5 0 1 j ? 、c ：1 0 l | i f 、 | c = 5 0 、一 一 0 5 01 0 01 5 0 吸收长度j c m 图2 3 气体浓度为l o 和5 0 时i l o 和l 的关系曲线 从图2 1 ，2 - 2 ，2 - 3 可以看出，无论气体浓度的大小如何，随着吸收路径长 度的增加，光透过率会变小，即光会被更充分的吸收，传感器检测的灵敏度也 会相应的提高。但是当气体浓度较小时，如在o 0 0 1 l 区间内时，吸收路 径长度对i l o 的影响较小：浓度较大时，如在1 1 0 区间内时，吸收路径长 度对t i o 的影响开始变得明显；当浓度进一步增大时，如在c 值大于1 0 时， 吸收路径长度对i x o 的影响变得非常明显。为了定量分析l 与c 的变化对i o 的影响，列表如：2 - 2 所示。 ， 9 8 7 6 5 4 3 2 ， 0 0 0 o 0 d 口 d 口 口 冀一钭刿捌票 武汉理t 大学硕l 学位论文 表2 - 2 l 与c 的变化对z l o 的影响的关系表 i i 上 l c m3 c m1 0 c m2 0 c m5 0 c ml o o c m1 5 0 c m 心 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 ，0 0 0 01 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 9 9 9 90 9 9 9 90 9 9 9 9 o 们1 0 0 0 00 9 9 9 90 9 9 9 90 9 9 9 70 9 9 9 30 9 9 8 60 9 9 7 9 o 0 5 0 9 9 9 90 9 9 9 70 9 9 9 30 9 9 8 60 9 9 6 50 9 9 3 00 9 8 9 6 o 1 0 9 9 9 90 9 9 9 30 9 9 8 60 9 9 7 20 9 8 3 00 9 8 6 10 9 7 9 2 0 5 0 9 9 9 30 9 9 6 50 9 9 3 0 0 9 8 6 1 0 9 6 5 60 9 3 2 40 9 0 0 3 1 0 9 9 8 60 9 9 3 00 9 8 6 10 9 7 2 40 9 3 2 40 8 6 9 40 8 1 0 6 2 0 9 9 7 20 9 8 6 10 9 7 2 40 9 4 5 50 8 6 9 40 7 5 5 80 6 5 7 0 5 0 9 9 3 00 9 6 5 60 9 3 2 4 0 8 6 9 40 7 0 4 70 4 9 6 60 ，3 4 9 9 1 0 0 9 8 6 10 9 3 2 40 。8 6 9 4 0 7 5 5 80 4 9 6 60 2 4 6 6o 1 2 2 5 2 0 0 9 7 2 40 8 6 9 4 0 7 5 5 80 5 7 1 20 2 4 6 60 0 6 0 80 ，0 1 5 0 5 0 0 9 3 2 40 7 0 4 70 4 9 6 6 0 2 4 6 60 0 3 0 20 0 0 0 90 0 0 0 0 1 0 0 0 8 6 9 40 4 9 6 60 2 4 6 6 0 0 6 0 80 0 0 0 90 0 0 0 00 0 0 0 0 在表2 2 中，比较l = 5 0 c m 和l = i o o c m 两列：当c = o 0 0 1 时，而的值分 别为9 9 9 9 - n9 9 9 9 ，两者几乎相等，此时通过增加吸收路径的长度并不能 显著增加传感器测量的灵敏度；当c = o 5 时，1 l o 的值分别为9 6 5 6 和9 3 2 4 ，两者差距开始变大，但通过增加吸收路径的长度仍不能显著增加传感器测 量的灵敏度；当c = i 时，i l o 的值分别为9 3 2 4 和8 6 9 4 ，两者差距比较明 显，此时通过增加吸收路径的长度可以增加传感器测量的灵敏度；当c = 1 0 时， i l o 的值分别为4 9 6 6 和2 4 ，6 6 ，两者差距非常显著，此时通过改变吸收路径 的长度对传感器测量的灵敏度也会产生较大的影响。为了直观的反映上述结论， 分别令l = 5 0 c m 和l = l o o e m ，画出c 和1 l o 的关系曲线，如图2 - 4 所示。 武汉理一i ：大学硕士学位论文 l 一定时c 和l ，1 0 的关系曲线 l = 5 0 c m l = i o o c mi - i i 、 | 。 、 5 。 、 、 、 、 c m l 刮0 0 、 、 、 一一 o 05 1 01 5 2 d2 5 3 03 5柏 4 5 5 d 气体体积分数( ) 图2 - 4l 4 0 c m 和l ：1 0 0 c m 时c 和，而的关系曲线 如图2 - 4 所示，靠上方的曲线为l = 5 0 c m 时c 和，而的关系曲线，靠下方的 曲线为l = 1 0 0 c m 时c 和，如的关系曲线。可以看出，随着气体浓度的变大，两 者之间的差距逐渐变大，到一定程度后两者问的差距又逐渐减小。 需要注意的是，比尔定律的成立是有条件的：只有在物质分子的吸收本领不 受它周围邻近分子的影响时，比尔定律才正确。当浓度很大，分子间的相互作 用不可忽略时，比尔定律不成立1 4 3 】。从表2 2 可以看出，当气体浓度为5 0 ， l = 1 0 0 c m 时，i l o = 0 0 9 ，入射光基本上被完全吸收；当气体浓度为1 0 0 ， l = 5 0 c m 时，j o = o ，0 9 ，入射光基本上被完全吸收；这一结论与实验室现象 是不符合的，即在气体浓度很大时，入射光仍然只是部分被吸收，吸收的规律 不再符合比尔定律。 最后我们得到这样的结论：尽可能的增加吸收路径的长度，尤其是气体体浓 度较大时，更有利于提高传感器测量的灵敏度。但是随着吸收路径长度的增加， 光纤准直器的制造工艺变得复杂而难以实现，光功率衰减也会变得比较严重， 所以不能无限制得增加气室的长度。选择气室的长度要综合这两个因素来考虑。 本实验中气室的实物图如图2 - 5 所示。 ， 9 b 7 6 5 4 3 2 ， 0 ， 们 们 盯 帖 明 呈： 叫 。 斟村划栽 武汉理t 大学硕士学位论文 图2 - 5 气章的实物图 2 2 基于l d 光源的光纤气体传感器 其中：o l d 光源气室 a 光电转换光纤( 粗线为光纤) a 为待处理 的电信号 图2 - 6 基于l d 光源的光纤气体传感器的基本原理图 基于l d 光源的光纤气体传感器的基本原理图如图2 - 6 所示，l d 光源发出 的光经过光纤传播进入气室，气室中含有需要检测的气体，光通过气室时发生 衰减，且光强减弱程度与被测气体浓度有关，从气室出来的光信号通过光电转 换电路转换成电信号，该电信号包含了气体浓度信息，通过检测该电信号就可 得出气体的浓度。 一1 6 - 武汉理工人学硕十学位论文 l d 光源的发光波长必须与被测气体的吸收谱线严格匹配，因此