光纤气体传感器

1、 光纤气体传感器及其应用光纤气体传感器及其应用目录3、光谱吸收型传感器原理及检测方法2、光纤气体传感器分类4、光谱吸收型光纤气体传感 器的应用1、光纤气体传感器应用背景 5、光纤气体传感器总结1.光纤气体传感器应用背景 （1）工程测试过程中，需要及时准确地对易燃易爆、有毒有害的气体进行监测预报。 （2）随着人们生活水平的提高，人类对生态环境的要求也越来越高。迫切要求监测易燃易爆、有毒有害气体，减少环境污染，确保身心健康。 （3）光纤气体传感器具有传输功率损耗小，传输信息容量大，抗电磁干扰能力强，易于实现远距离遥测等优点。2.光纤气体传感器分类各种光纤气体传感器及其性能比较 传感器类型传感器类型

2、优点优点缺点缺点干涉型干涉型灵敏度高灵敏度高稳定性差，难以实现遥测稳定性差，难以实现遥测反射型反射型灵敏度较高灵敏度较高线性范围窄，长期稳定性差，线性范围窄，长期稳定性差，需加工需加工光纤渐逝场光纤渐逝场气体传感器气体传感器灵敏度高，能实现灵敏度高，能实现分布式传感及交叉分布式传感及交叉分辨分辨表面污染问题严重，其中多聚表面污染问题严重，其中多聚物包层光纤对相对温度、湿度、物包层光纤对相对温度、湿度、渐逝场的强度依赖性大；需加渐逝场的强度依赖性大；需加工工近近红红外外吸吸收收差分吸收检测差分吸收检测灵敏度高灵敏度高 斩波器的使用使得稳定性不高，斩波器的使用使得稳定性不高，滤波片的使用使得有用光

3、功率滤波片的使用使得有用光功率不足不足谐波检测谐波检测灵敏度高，稳定性灵敏度高，稳定性较好较好需求光源可调谐范围较宽，频需求光源可调谐范围较宽，频率稳定度高，光源驱动较复杂率稳定度高，光源驱动较复杂光吸收热效应光吸收热效应灵敏度较高灵敏度较高传感探头带电，难以实现遥测，传感探头带电，难以实现遥测，且需要大功率输出光源且需要大功率输出光源2.光纤气体传感器分类 图2-1光子晶体光纤气体传感器 图2-2甲烷气体光纤探测器3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法3.1光谱吸收型光纤传感器光谱吸收型光纤传感器光谱吸收法是通过检测气体透射光强或反射光强的变化来检测气体浓度的方法。每种气体分子都有自己的吸收(

4、或辐射)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，吸收后的光强将发生变化。3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法光谱吸收型光纤传感器是基于激光光谱分析技术设计的，结合现代光纤通信技术，将以前主要用于实验室气体分析的激光光谱分析技术应用在工业现场。同时利用光纤技术的特点，使光谱吸收型光纤传感器在探测灵敏度、远程遥测、多点测量方面发挥更大的优势 3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法3.2 近红外光谱吸收型光纤传感器近红外光谱吸收型光纤传感器 近红外光谱吸收型光纤气体传感器与其他光纤气体传感器相比具有极高的测量灵敏度，极高的气体鉴别能力，快速的响应能力，简单可靠的气体传感探头、气室以

5、及易于形成网络等优点，是目前研究最广泛，最有前途的一种光纤气体传感技术。3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法3.3光谱吸收式气体传感器理论基础光谱吸收式气体传感器理论基础p 核心思想：Lambert-Beer定律outin( )exp( )IIvv CL 为光频为v处的吸收系数，表示体积浓度为100%，吸收光程长度为1cm时吸收气体对频率为的v单色光的吸收能力； C为吸收气体体积浓度百分比； L为总的气体吸收光程，单位cm。 ( )v3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法p 核心思想：Lambert-Beer定律outin( ) 1( )IIvv CL 0201vvv3.光谱吸收型传感器原理及

6、检测方法3.4 气体分子光谱吸收理论 气体分子只吸收那些能量正好等于它的某两个能级的能量之差的光子，吸收的光子后的分子将从低能态激发到较高的能态上，在激发态停留很短的时间后，有通过释放出光子回到稳定态，这就是气体分子的选择吸收理论。 甲烷气体吸收光谱图3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法3.5检测方法检测方法 目的：抑制噪声，提高灵敏度 差分吸收技术差分吸收技术 调制技术调制技术 单波长差分双波长差分强度调制浓度调制波长调制3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法 一路通过含有被测气体的检测气室；一路通过不含被测气体的参考气室即真空，其衰减代表了光路中与被测物质无关的损耗。 单波长差分吸收技术适用

7、于窄带光源，比如激光器，其谱线宽度较小，能量比较集中。如果激光器的中心波长和气体吸收峰中心波长对准，则由测量通过待测气体的输出光强可以检测气体的浓度。3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法优点：可从理论上完全消除光路的干扰因素，并消除光源输出光功率不稳定的影响。缺点：对光源中心波长的漂移以及滤波特性对检测结果的影响是无能为力的。3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法 工作波长参考波长两个波长尽可能靠近12123.光谱吸收型传感器原理及 检测方法优点：有效消除光路干扰和光源强度变化的影响，灵敏度高 缺点：斩波器的使用，使得稳定性不高；滤波片的使用，使得有用光功率不足。3.光谱吸收型传感器应用 近年来

8、，吸收型光纤气体传感器已得到实际应用，如分布反馈式半导体激光器（DFBLD）构成的能够同时检测甲烷和乙炔2种气体的谐波检测系统以及由LED构成的甲烷时间差分检测系统。 甲烷和乙炔都是易燃易爆气体，在石英光纤的低损耗波段都有较强的吸收峰。甲烷在1.66和1.33波段有2个吸收峰，乙炔在1.53波段有吸收峰，可以用直接吸收的方法来进行测量。4.光谱吸收型传感器应用 右图是一个由DFB半导体激光器构成的光纤气体传感系统，该系统应用2个波长分别为1.66和1.53的DFB激光器（分别对应于甲烷和乙炔的吸收峰）,可以同时测量甲烷和乙炔2种气体浓度。5.总结 首先对光纤气体传感器研究背景及优点进行了说明，然后又介绍了具体原理，并落脚于生活中最常用的、现阶段发