光纖氣體傳感器教材

1、 光纖氣體傳感器及其應(yīng)用光纖氣體傳感器及其應(yīng)用目錄3、光譜吸收型傳感器原理及檢測(cè)方法2、光纖氣體傳感器分類(lèi)4、光譜吸收型光纖氣體傳感 器的應(yīng)用1、光纖氣體傳感器應(yīng)用背景 5、光纖氣體傳感器總結(jié)1.光纖氣體傳感器應(yīng)用背景 （1）工程測(cè)試過(guò)程中，需要及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)易燃易爆、有毒有害的氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。 （2）隨著人們生活水平的提高，人類(lèi)對(duì)生態(tài)環(huán)境的要求也越來(lái)越高。迫切要求監(jiān)測(cè)易燃易爆、有毒有害氣體，減少環(huán)境污染，確保身心健康。 （3）光纖氣體傳感器具有傳輸功率損耗小，傳輸信息容量大，抗電磁干擾能力強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。2.光纖氣體傳感器分類(lèi)各種光纖氣體傳感器及其性能比較 傳感器類(lèi)型傳感器類(lèi)型

2、優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)干涉型干涉型靈敏度高靈敏度高穩(wěn)定性差，難以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)穩(wěn)定性差，難以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)反射型反射型靈敏度較高靈敏度較高線性范圍窄，長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，線性范圍窄，長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，需加工需加工光纖漸逝場(chǎng)光纖漸逝場(chǎng)氣體傳感器氣體傳感器靈敏度高，能實(shí)現(xiàn)靈敏度高，能實(shí)現(xiàn)分布式傳感及交叉分布式傳感及交叉分辨分辨表面污染問(wèn)題嚴(yán)重，其中多聚表面污染問(wèn)題嚴(yán)重，其中多聚物包層光纖對(duì)相對(duì)溫度、濕度、物包層光纖對(duì)相對(duì)溫度、濕度、漸逝場(chǎng)的強(qiáng)度依賴性大；需加漸逝場(chǎng)的強(qiáng)度依賴性大；需加工工近近紅紅外外吸吸收收差分吸收檢測(cè)差分吸收檢測(cè)靈敏度高靈敏度高 斬波器的使用使得穩(wěn)定性不高，斬波器的使用使得穩(wěn)定性不高，濾波片的使用使得有用光

3、功率濾波片的使用使得有用光功率不足不足諧波檢測(cè)諧波檢測(cè)靈敏度高，穩(wěn)定性靈敏度高，穩(wěn)定性較好較好需求光源可調(diào)諧范圍較寬，頻需求光源可調(diào)諧范圍較寬，頻率穩(wěn)定度高，光源驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜率穩(wěn)定度高，光源驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜光吸收熱效應(yīng)光吸收熱效應(yīng)靈敏度較高靈敏度較高傳感探頭帶電，難以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)，傳感探頭帶電，難以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)，且需要大功率輸出光源且需要大功率輸出光源2.光纖氣體傳感器分類(lèi) 圖2-1光子晶體光纖氣體傳感器 圖2-2甲烷氣體光纖探測(cè)器3.光譜吸收型傳感器原理及 檢測(cè)方法3.1光譜吸收型光纖傳感器光譜吸收型光纖傳感器光譜吸收法是通過(guò)檢測(cè)氣體透射光強(qiáng)或反射光強(qiáng)的變化來(lái)檢測(cè)氣體濃度的方法。每種氣體分子都有自己的吸收(

4、或輻射)譜特征，光源的發(fā)射譜只有在與氣體吸收譜重疊的部分才產(chǎn)生吸收，吸收后的光強(qiáng)將發(fā)生變化。3.光譜吸收型傳感器原理及 檢測(cè)方法光譜吸收型光纖傳感器是基于激光光譜分析技術(shù)設(shè)計(jì)的，結(jié)合現(xiàn)代光纖通信技術(shù)，將以前主要用于實(shí)驗(yàn)室氣體分析的激光光譜分析技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。同時(shí)利用光纖技術(shù)的特點(diǎn)，使光譜吸收型光纖傳感器在探測(cè)靈敏度、遠(yuǎn)程遙測(cè)、多點(diǎn)測(cè)量方面發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì) 3.光譜吸收型傳感器原理及 檢測(cè)方法3.2 近紅外光譜吸收型光纖傳感器近紅外光譜吸收型光纖傳感器 近紅外光譜吸收型光纖氣體傳感器與其他光纖氣體傳感器相比具有極高的測(cè)量靈敏度，極高的氣體鑒別能力，快速的響應(yīng)能力，簡(jiǎn)單可靠的氣體傳感探頭、氣室以

5、及易于形成網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，是目前研究最廣泛，最有前途的一種光纖氣體傳感技術(shù)。3.光譜吸收型傳感器原理及 檢測(cè)方法3.3光譜吸收式氣體傳感器理論基礎(chǔ)光譜吸收式氣體傳感器理論基礎(chǔ)p 核心思想：Lambert-Beer定律outin( )exp( )IIvv CL 為光頻為v處的吸收系數(shù)，表示體積濃度為100%，吸收光程長(zhǎng)度為1cm時(shí)吸收氣體對(duì)頻率為的v單色光的吸收能力； C為吸收氣體體積濃度百分比； L為總的氣體吸收光程，單位cm。 ( )v3.光譜吸收型傳感器原理及 檢測(cè)方法p 核心思想：Lambert-Beer定律outin( ) 1( )IIvv CL 0201vvv3.光譜吸收型傳感器原理及

6、檢測(cè)方法3.4 氣體分子光譜吸收理論 氣體分子只吸收那些能量正好等于它的某兩個(gè)能級(jí)的能量之差的光子，吸收的光子后的分子將從低能態(tài)激發(fā)到較高的能態(tài)上，在激發(fā)態(tài)停留很短的時(shí)間后，有通過(guò)釋放出光子回到穩(wěn)定態(tài)，這就是氣體分子的選擇吸收理論。 甲烷氣體吸收光譜圖3.光譜吸收型傳感器原理及 檢測(cè)方法3.5檢測(cè)方法檢測(cè)方法 目的：抑制噪聲，提高靈敏度 差分吸收技術(shù)差分吸收技術(shù) 調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù) 單波長(zhǎng)差分雙波長(zhǎng)差分強(qiáng)度調(diào)制濃度調(diào)制波長(zhǎng)調(diào)制3.光譜吸收型傳感器原理及 檢測(cè)方法 一路通過(guò)含有被測(cè)氣體的檢測(cè)氣室；一路通過(guò)不含被測(cè)氣體的參考?xì)馐壹凑婵?，其衰減代表了光路中與被測(cè)物質(zhì)無(wú)關(guān)的損耗。 單波長(zhǎng)差分吸收技術(shù)適用

7、于窄帶光源，比如激光器，其譜線寬度較小，能量比較集中。如果激光器的中心波長(zhǎng)和氣體吸收峰中心波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)，則由測(cè)量通過(guò)待測(cè)氣體的輸出光強(qiáng)可以檢測(cè)氣體的濃度。3.光譜吸收型傳感器原理及 檢測(cè)方法優(yōu)點(diǎn)：可從理論上完全消除光路的干擾因素，并消除光源輸出光功率不穩(wěn)定的影響。缺點(diǎn)：對(duì)光源中心波長(zhǎng)的漂移以及濾波特性對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響是無(wú)能為力的。3.光譜吸收型傳感器原理及 檢測(cè)方法 工作波長(zhǎng)參考波長(zhǎng)兩個(gè)波長(zhǎng)盡可能靠近12123.光譜吸收型傳感器原理及 檢測(cè)方法優(yōu)點(diǎn)：有效消除光路干擾和光源強(qiáng)度變化的影響，靈敏度高 缺點(diǎn)：斬波器的使用，使得穩(wěn)定性不高；濾波片的使用，使得有用光功率不足。3.光譜吸收型傳感器應(yīng)用 近年來(lái)

8、，吸收型光纖氣體傳感器已得到實(shí)際應(yīng)用，如分布反饋式半導(dǎo)體激光器（DFBLD）構(gòu)成的能夠同時(shí)檢測(cè)甲烷和乙炔2種氣體的諧波檢測(cè)系統(tǒng)以及由LED構(gòu)成的甲烷時(shí)間差分檢測(cè)系統(tǒng)。 甲烷和乙炔都是易燃易爆氣體，在石英光纖的低損耗波段都有較強(qiáng)的吸收峰。甲烷在1.66和1.33波段有2個(gè)吸收峰，乙炔在1.53波段有吸收峰，可以用直接吸收的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)量。4.光譜吸收型傳感器應(yīng)用 右圖是一個(gè)由DFB半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的光纖氣體傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用2個(gè)波長(zhǎng)分別為1.66和1.53的DFB激光器（分別對(duì)應(yīng)于甲烷和乙炔的吸收峰）,可以同時(shí)測(cè)量甲烷和乙炔2種氣體濃度。5.總結(jié) 首先對(duì)光纖氣體傳感器研究背景及優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了說(shuō)明，然后又介紹了具體原理，并落腳于生活中最常用的、現(xiàn)階段發(fā)