(最新)光纤气体传感器研究背景及现状

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1、光纤气体传感器研究背景及现状1研究背景12光纤气体传感器研究现状22.1光谱吸收型光纤气体传感器22.2荧光型光纤气体传感器32.3燃料指示剂型光纤气体传感器42.4基于折射率变化型光纤气体传感器52.5倏逝波型光纤气体传感器51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、

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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:(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。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

7、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