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光纤气体传感器简介 俞琳 1011202030 0 引言 气体传感器是能感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或器件，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号，从而进行检测、监控、分析和报警。光纤气体传感器是20世纪80年代后期出现的一种新型传感器，与传统传感器相比，它具有体积小、频带宽、传输损耗低、携带信息量大等特点[1]，可实现光信息的长距离传输并可利用时分、空分、波分等复用技术，使多个传感器共用同一光源、同一传输光纤和同一信号检测设备来进行多点分布式测量；此外，由于光纤抗电磁干扰强，安全性高，尤其适合在易燃易爆环境中使用。 经过二十多年的发展，光纤气体传感器已在工业气体在线监测、环境空气质量监测、有害气体分析和爆炸气体检测等社会生活的多个方面有着有效地应用。它一般可分为两类[2]：一类利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，称为本征型或传感型，如折射率变化型或渐逝场型传感器；另一类利用其它敏感元件感受被测物变化，光纤仅作为传输介质，称为非本征型或传光型，如光谱吸收型或荧光型传感器。下面将对这两类光纤气体传感器作简要介绍。 1 光谱吸收型传感器 物质分子发射或吸收光谱的强度、波长、频率及偏振态与物质的结构特征有着固有的关系，不同气体分子结构对应不同的吸收光谱，同一气体不同浓度时在同一吸收峰处的吸收强度也不同。光谱吸收型气体传感器就是利用常见气体在石英光纤低损窗口(1μm~1.7μm)内的泛频谐波谱进行气体种类和浓度检测的。其理论依据是朗伯-比尔定律，当光源激射波长与气体的吸收谱线重合时，光通过待测气体就会发生衰减，输出光强I与输入光强I0、气体浓度C、光与气体有效作用长度L及气体分子吸收系数α有关，其表达式如下： 通过测量由气体吸收导致的光强衰减，便可反演出气体的浓度；再由气体吸收的峰值位置即可确定气体的种类。 常用的近红外光谱吸收方法有差分吸收法[3]、波长调制/二次谐波法[4]、衰荡腔法和有源内腔法[5]等，其基本原理图如图1所示。光源发出的光经光纤进入气室被气体吸收后，由出射光纤传至光电探测器，将光信号转换为电信号送入计算机进行处理进而得到气体浓度和种类信息。 图1 光谱吸收型气体传感器原理图 光谱吸收型气体传感器是目前研究最为广泛且最接近于实用化的一种气体传感器，它可对近红外区的多种有害气体如H2S、CH 2 荧光型传感器 荧光物质受到光波照射时，会产生波长大于激励波长的荧光，其波长差称为strokes位移。当有气体存在时，在气体吸收波长处会导致荧光强度下降、寿命减短。荧光辐射可用斯德恩-沃尔玛方程来表示： 其中I、τ分别为有气体存在时的荧光强度和寿命，I0、τ0对应无气体存在时的荧光参数；C为被测气体浓度，K为常数。由方程可知，测量荧光强度变化量或由气体分子对荧光的淬灭效应导致的荧光寿命变化量均可反演出气体的浓度信息。由于传感波长不同于激励波长，因而分辨率较高，选择不同的荧光物质可实现对不同种类气体的测量。 光纤荧光气体传感器一般采用反射式结构，激励光从光纤一端入射到被涂敷在另一端的荧光物质上，产生受外界气体浓度调制的荧光并被端面反射至探测器接收。荧光信号较弱，因而探测系统通常比较复杂，成本较高。氧气荧光淬灭传感器[6]目前研究较多、发展较快，主要用于工业燃烧监测和医疗检查中，检测灵敏度能达到3ppm。 3 折射率变化型传感器 某些材料的折射率对气体敏感，若用它代替光纤包层或涂敷于光纤表面，通过测量由折射率变化引起的光纤波导参数如有效折射率、损耗和双折射等的变化，就可用光强检测或干涉测量手段得到待测气体信息。图2是一种利用单模光纤测量气体浓度的Mach-Zehnder干涉仪，测量臂光纤的包层被剥去在其表面涂上一层对气体敏感的聚合物气体与测量臂上的聚合物发生作用改变单模光纤的有效折射率，从而在两臂的光信号之间形成一个相位差ΔΦ， 图2 利用单模光纤测量气体浓度的Mach-Zender干涉仪 光波导以及光纤扰模理论可用来解释材料折射率与光纤光强之间的相互作用。该种传感器能灵敏地反映外界环境中的气体扰动，已被用于检测CH4、CO2气体。若采用模式滤光检测法[7]能有效提高测量灵敏度，相比于传统端面检测手法，模式滤光法能检测光纤侧面光信号的变化，背景光很小，信噪比提高10倍甚至100倍。利用此法对甲烷进行检测可达到0.06%的探测极限。 4 渐逝场型传感器 当导模在光纤中传播时，光在纤芯和包层界面上发生全反射，绝大部分光能在纤芯中传播，少部分泄露进包层形成渐逝场，它的电场振幅随着与光纤纤芯距离的增大而呈指数衰减，透射深度一般为几个波长。如果在渐逝场区存在吸收介质如被测气体，则全反射光能量减少