一氧化碳是一种无色无味、易燃易爆的有毒气体，是碳基燃料燃烧后不完整后的主要产物。我62616964757a686964616fe58685e5aeb9339们可以用一氧化碳所占燃烧气体的比例来表示燃烧的效率。即便国家对汽车尾气排放的审核标准一再提高，但是随着人们与日俱增的对物质需求的提升和人均用车量导致CO等温室的气体污染不断加重。在原矿进行提炼时，整个能量转化过程比较容易释放煤气。因为在现代化的生活与工业生产中，煤气属于中关键性能源，伴随社会发展与进步，煤气使用、生产以及运输规模不断变大，而煤气中一氧化碳的含量比较多。并且其中一氧化碳占比将近0.97，基本等同于空气含量，所以扩散难度比较大，经常会聚集在某个区域。如果一个区域中一氧化碳的含量达到特定浓度，极易引起爆炸的事故。同时一氧化碳是无味无色的气体，比较难察觉气体传感器，这种气体是有毒的气体，所以经常会见到一氧化碳的中毒事件。一氧化碳这种剧毒性的气体，最主要的危害有两点：一是会污染大气环境，二是会一氧化碳会使得人体内细胞缺氧而导致人机体细胞死亡。如果人体血液的循环系统中进入了一氧化碳，这种气体就会结合血红蛋白，生产碳氧的血红蛋白，这种血红蛋白比较难解离，导致人的组织细胞缺氧甚至死亡。二氧化碳是一种完全燃烧的产物，通常用于定量摄入EGR水平;它也是一种重要的温室气体，与CO一起，是一种燃烧完成度和总排碳量的测量方法。因此，如何在生活以及工作环境对一氧化碳和二氧化碳进行准确检测，对于今后生态环境保护至关重要。在国内环境污染不断加重以及检测技术不够先进的背景下，各种检测设备老化，因为这些诸多问题环氧乙烷检测仪，需要将环境的监测领域投资加大，继而推动光纤气体的监测技术发展。就目前而言，国内大气质量的周报中，五大主要污染源就是臭氧、PM10、二氧化氮、二氧化硫以及一氧化碳，这些气体监测仪主要源自国外，并且这些仪器主要采取光化学方式监测，就监测技术发展的态势来看，最新一代的监测技术是光谱学与光学技术，这两种技术即为差分吸收的光谱技术。[i]

1.1气体传感技术的现状和发展趋势

伴随全球工业化的革命发展，生产力提升和日新月异科技的发展却导致环境污染变得越来越严重，环境保护已成为了全世界不得不一起共同面对的巨大挑战。各国政府都设置环境保护的组织，旨在经科学手段检测污染源，合理的运用新型的传感测量技术是针对环境污染最有效监控途径。近几年来，世界各国对环境保护投资比较大，通过大量物力以及人力对新型传感的器件进行开发，用来对未知的污染源进行识别，同时对已知的污染源变化进行监测。有学者预测，环境保护传感器的市场会逐渐扩大，直至在未来环境保护方面市场份额达到举足轻重的地位。仅仅在我国2016年对传感器需求就达到了30亿只，换算市值可达到1200亿元。光纤传感技术是一种七十年代后期才逐渐开始发展起来的新技术。但是我国中高档传感器几乎均靠国外进口，国内缺乏对新型光纤传感技术为原理的新型传感器研发和产品化。而由于光纤传感器有极高的灵敏度和精度、轻细柔软便于安装、良好的化学稳定性和安全抗干扰性的特性，能补足传统传感器的种种局限，因此我们可以断言光纤传感器将会在未来环境监控上起到重大的作用和影响。

气体检测传感器的发展趋势是：

1.由劳动密集型向技术密集型方向发展。

2.气体检测现在主要经大型工业的实验室以及人工采样方式来处理，今后应该转向智能化、机械化以及自动化的方向。

3.由物理理论领域监测向全方位信息领域监测的方向发展。

4．向新材料新工艺传感器发展。

5.向物理、电子、光学等多方面高新领域发展。

6.由单功能向多功能传感器发展。

1.3 本论文内容和结构框架

本论文第一章对气体传感器应用前景与当前进展进行简要分析，对气体传感器发展趋势进行总结，以便给气体传感器研究提供参考。

第二章对光纤气体的传感器分类与发展进行介绍，同时分析LED灯在今后气体传感器的发展中所产生的影响。

第三章介绍了了气体传感器的特性概述，首先简单介绍了气体分子光谱理论，然后粗略的介绍了光谱吸收定律和气体分子的吸收线，最后描述了一下气体传感器耦合问题。

第四章主要介绍了在光纤气体传感系统当中，因为存在很多影响测试结果的不利因

素，而我们可以通过差分吸收检测方法和波长调制谐波检测方法来保证实验的准确性，本

章简单的介绍了一下差分吸收法和谐波检测的数学理论基础和给出了模型支持简单的了

解了两种方法的工作原理。还以此建立了传感器的理论模型。

第五章主要研究了一种简单的检测co2和co的基于LED光谱吸收的气体传感器，同时分析了其工作原理和工作模拟图，通过比对不同气体的吸收谱来选择相应的波长阐述了具体的设计理念展示了相关数据。

第六章总结了本论文所完成的研究工作，讨论了论文本身存在的不足之处。展望了未来光纤传感器的发展和进步。

2 光纤气体传感器概论

2.1 光纤气体传感器的发展

由于气体光谱的吸收气体测量的技术，主要优势就是鉴别气体浓度以及测量的灵敏度比较高，所以在控制工业的气体监测以及环境监测中有着重要作用。通常传统吸收光谱的分析方法只可以对野外实地的采集样本进行监测，再经实验室的仪器实施精确光谱的分析。另外，传统吸收光谱工作的时间比较长，仪器的精密性要求，所以对工作环境有着一定要求，所以导致实际应用受限，特别在工业气体与环境监测控制的过程中，传统分析方法无法与在线连续性的精准监测要求相符。而光纤传的感技术在70年代的末期才逐渐出现在大家视野的一门高新技术。把石英光纤当作例子，于1.55波长附近，光纤的损耗能够降低到每公里 0.2d B。换句话说，光纤气体传感器可以克服以往旧的传感器无法对恶劣环境的情况（例如高温环境、易爆高危高毒环境或高频高磁场环境），工作人员可以通过相应的软件程序进行远距离操控。与传统的电传感器相比，光纤传感器所需要的匹配功率较低，操作人员的安全得到大大提升。另外，光纤由于具有耐腐蚀的特性，可在高核辐射这种危险环境中进行作业。由于光纤有交宽频带，可以携带海量信息，经分波长、分时与分频等多路服用的技术，可实现不同传感器共用传输的光纤，一个探测器或是一个光源，一根光纤，就可以测量不同的化学参量，或用于多点或分布式测量，这样可以大大降低整个系统的成本。[ii]

光纤传感器主要优势是结构比较简单、灵敏度比较高、体积较小以及耐腐蚀等，也就因为这些优势逐渐受到广大科研人员的喜爱。在无数的智慧火花碰撞后衍生出了许多结合其他的高新领域和光纤的传感技术的新技术，也就是气体传感的技术。到目前为止，光纤的传感器在浓度、位移、加速度以及振动等物理量测量中有广泛应用，其市场前景与潜力比较大[iii]。

2.2光纤气体传感器的分类

光纤传感器主要在气体物理与化学性质、光学现象等测量中，下面我们将简单的介绍几种主流的光纤传感器：

2.2.1光谱吸收型荧光型

我们可以通过测量与之相对应荧的光辐射对气体浓度进行检测，荧光不仅可以由被物质的被测物质自身变化而来，而且可以由荧光染料和被测物化学反应而来。图2-1呈现的是荧光物质经吸收特定的波长所得光照，当电子将能量吸收以后，就会转变成受激的状态，由低能态转变成高能态；电子受光辐射的刺激以后，会出现荧光，并且此时荧光波长比应激波长大。通常在受激的状态下，电子不会长时间停留，其寿命普遍在1-20ns之间。

图2-1荧光产生机理

如果测量浓度将某种特定光照射吸收以后，不仅可以对荧光辐射强度进行改变，而且能引起寿命的变化。所以按照各种测量的方式以及传感的机理，可以划分成两种，其一是对荧光辐射的寿命进行测量；其二是对荧光辐射的强度进行测量[iv]。相较于吸收型的光纤传感器，荧光型的传感器中传感荧光波长与激励光波长不一样，因为各种荧光材料中荧光辐射的波长不一样，所以荧光传感器在鉴别被测量物方面，准确性比较高[v]。就实际应用而言气体传感器，人们经常希望激励波长和辐射波长可以有较远的距离，以便经价格低廉波长的滤波器划分传感光和激励光。都要去激励波长处于近红外区或是见光区，关于这段波的研究技术相对成熟，价格方面人们也比较容易接受。荧光传感的原理主要就是对某固定的波长段荧光的强度进行测量，经过这个原理，能够制作出荧光pH的传感器，即通过实验不断改变浓度ph值的大小，使得荧光辐射的强度也不断改变。荧光寿命的测量方法较为复杂，这里我们就暂且不去讨论。荧光型传感器具有极高的物质鉴别能力但其缺点就是其检测信号极其微弱不易测量且设计检测系统极其复杂，不利于实现工业化和商品化。

2.2.2基于折射率变化的传感器

就折射率的变化也就是光程变化光纤传感器而言，主要是将特殊材料涂敷在光纤端面或是表面，该材料折射率与体积在气体上有较强的敏感性。例如：杂聚硅氧烷( HPS)材料能够经溶胶凝胶(Sol-Gel)方式，将其涂抹于光纤的表面，并且设计涂层的折射率类似石英光纤的折射率。该材料与某种化学量发生作用后，会改变了折射率，这各类型HPS能够对不同化学量进行测量。例如：glycidoxyl propyl siloxane折射率在碳氢化合物反应后，对于甲苯会有敏感性。并且折射率发生变化，会使得波导参数发生变化，例如：双折射率、损耗与有效的折射率等，上述参数能够采取千涉或是强度检测方式进行测量。膜与氢气相遇，就会出现膨胀，四氟乙烯、高分子膜与己烷、酒精灯相遇，同样会膨胀。这些材料会在光纤的端部沉积，构成Fabry-Perot的干涉仪，而气体所致薄膜膨胀可已经测量干涉仪的光强度输出获得。[vi]

2.2.3基于染料染色剂的传感器

在石英的吸光谱上，部分气体吸收波不够明显，即便存在吸收波，但是因为各种因素导致相应波长的光源并不存在与现实生活中，基于这种情况应运而生的便是将染料指示剂当作中间产物，完成间接的传感。一旦燃料和气体产生化学的反应，本身光学的性质同样会变化，经过对其中变化进行测量，可以获取被测气体信息[vii]。ph值的传感器属于较常见的一种，染料的指示剂，例如：石蕊试纸颜色会伴随ph大小改变而发生变化。因此我们可以通过测量所对应的溶液ph值来测量部分气体的浓度（如NH3.CO2等）。

2.2.4 光纤渐逝场气体传感器

光纤渐逝场气体传感器在现实生活是一类已经得到实现且具有广大潜力前景的一类传感器。企业已经能商业化出产着在波长3.39um处利用渐逝场原理的光纤传感器。但是另一方面因为该类传感器在该波长段处的光纤传输损耗极高运用效率极低，导致该类别传感器的光路往往不能够超过3米及以上标准。此类传感器检测的气体浓度同时也将限制于百分之二量级上。渐逝场的传感器并且容易发生表面污染的问题，即便经高分子的隔离膜能够防止大型的污染物进入到渐逝场的区域，和气体分子的体积接近的分子却难以阻挡，这些污染物将会改变光纤表面的波导结构，从而改变其测量出的参数导致影响传感器的灵敏度。如何降低表面污染对渐势场型传感器的影响是未来科研人员仍需要攻克的主要技术性难关。

渐势场型光纤气体传感原理图

2.2.5 吸收式光纤气体传感器

在这些传感器之中，光纤作用就是当作传输的介质，只可以对光能量进行传输，所传输光能量能够和待测气体的样本互相作用，产生各类信息，以便在某些区域检测待测气体的样本[viii]。依据现有的情况数据分析，吸收式光纤气体传感器是在现有的科学技术手段支持下由理论走向造福社会的一类新型的传感器。

吸收型的传感器主要是经气体测量石英光纤透射窗口(0.8-1.7um)吸收峰。通过气体吸收产生的光强衰减程度来通过一定的数学公式运算对气体浓度进行测定，主要是按照Lambert-Beer的定律计算。常见气体(如CO2, C2H2, CH4, N02, C0)在红外光谱范围内都存在较强的吸收谱线，该红外光谱波段对应接收器与气体的发光器均是相对理想光电转换的器件。经该方式能够准确测量大部分气体的浓度，不仅能保证产品质量安全，而且具有灵敏度高、高抗电磁干扰功能、响应速度比传统传感器快、成本价格低廉、运用对象广泛、具有良好的兼容性特别是传感头不带电、本质防爆的特点，在高危工业的检测中应用前景较好，此次所用传感器就是吸收型传感器

图3吸收型光纤气体传感的原理图

2.3LED在传感器起到的功效

在光纤的系统中，主要是采取光纤和发光二极管最佳耦合高亮度，并且传感器中明确要求部件达到最大利用率和安全保障率的同时，确保发射波长和光纤吸收的频率创口一样。LED的器件公共特性都一样，光/电流的曲线特性如图2-3所示。如果范围比较宽，也就是40dB左右，在一定的范围区间内光输出就会伴随正向偏置电流变化方向，与线性图比较接近，然而，伴随器件的温度变化，会增加使用期，曲线也会越来月平稳。这种变化会影响到传感器的系统，继而使得测量数据间存在极大偏差。因此需要及时经热反馈方式，对这些变化进行了解，本文经发射系统或是温度的敏感电源中光电二极管进行监测。

图2-3发光二极管的光/电流曲线

面发光二极管与光纤的藕合从结果上分析这是个低效率过程。为什么这么说呢？这是因为LED面发光管所产生的光功率会散漫的分布在一个极大的立体角内，能够进入光纤部分的输出光功率甚至不足百分之十，所以结合单模的光纤系统和发光二极管使用，没有现实的意义。

边发光放入二极管主要是经双异质的结构发生辐射，引起局部内波导的效应，可以构成稳定定向红外的光束，能够对发射光方向性进行保证，将光束限制于垂直方向的30°范围中，限制在水平方向的120°内。所以对比了面发光二极管以及边发光二极管得出，边发光二级光光耦合的效率比较高，而就接收小立体角类光纤而言，光耦合的效率就是一个重要部分。

图2.3.1

从图2.3.1中我们可以看出只有在某一波段的光才具有在光纤中低损耗传输的能力。

2.4 本章小结

本章主要介绍了气体传感器的发展历程，之后又介绍了几种不同工作类型的光纤型传感器；为后面介绍该论文阐述的气体传感器系统原理做了铺垫；接着介绍了光纤在LED中起到的作用和功效，展现了吸收型光纤传感器在未来的前景。

3.吸收型气体传感器特性分析

3.1引言

就气体分子吸收光谱的理论而言，经气体分子吸收作用以及特定波长光原理，能够对气体浓度进行检测，因为气体分子中存在吸收光谱，如果穿过待测的气体，并且气体浓度不高，该气体就会吸收特定波长的能量，满足Lambert －Beer定律。气体分子的吸收光谱理论和Lambert －Beer定律，建立吸收型传感器的支持理论框架。然而，因为气体分子光谱线宽极比较窄，其谱宽主要是纳米的量级，同时吸收的功劳不大，经测光照的强度增减，对气体难度进行测量的难度比较大。因此，需要按照比尔朗伯吸收定律以及气体分子的光谱理论酒精检测仪，经谐波检测与差分吸收方式，对各种因素的干扰进行克服，有效检测出微弱光电的信号。

3.2 气体分子光谱理论

当电磁辐射与气体分子相互作用时，能引起分子状态由低能态过渡到高能态，发生所

谓的能级跃迁，记录不同气体所需要的电磁辐射强度变化被气体分子所吸收随波长的变

化，所得到的光谱图便是气体分子吸收光谱

在光纤气体传感器传感系统当中由于选择的光源的波段主要是红外光的波动，在红外光谱区，分子振动和吸收等，都会在各能级间跃迁，能量跃迁能够经量子力学的原理解释，在能量的跃迁过程，气体分子之中原子会不断振动，并且分子振动过程，会发生自我的转动。按照量子力学的原理可知，如果分子的能态改变，那么其都是按照特定规律进行变化，分子能级会呈现出规律化。若经低能量红外光的辐射对分子进行照射，则分子能够吸收相应于相邻转动能级之差的远红外辐射能量，由低能态跃迁到高能态，通常我们将这一现象称为能级跃迁。

3.3 光谱吸收定律

当光源以平行光的形式通过待测气 体时,如果光源的光谱覆盖 1个或多个气体的吸

收谱,那么部分光将被吸收，光通过气体时将会发生强度衰减。未衰减的光将按原路径继

续传播。根据朗伯比尔定律定律,出 射发光强度 I 与入射发光强度 I0 和气体的体积分

数 之间的关系为

（3-3）

是气体吸收系数,即气体在频率 v 处 的吸收线型; L 测量气体作用在传感器的长度单位为m; c 为气体的浓 度，通过计算，上式可变形为：

（3-3.1）

通过上述公式我们可以知道，当气体的吸收系数和作用长度已知，气体的浓度可以通过投射光和入射光强来求出。

图3.3吸收型传感器原理

3.4气体分子的吸收线

气体分子吸收线宽与以下因素相关:

1.气体分子自然的线宽;

2.通过气体分子自由运动所引发多普勒的效应，继而将分子的吸收光谱加宽;

3.分子自由碰撞的展宽。通常情况下，气体分子自然线宽会因为激发态的分子自然寿命、跃迁时间受到影响，而宽度微小，通常可以忽略。

图3-4气体分子的典型吸收线

图3-4中表示波长的吸收系数；表示对应的吸收峰；表示带阻尼的电偶极振子的衰减速率。由上图可知影响气体的吸收线宽的因素不仅包括压力因素还包括温度因素。但只考虑到碰撞展宽时，温度因素对大局无影响可忽略。因此我们可以从上图中得出结论：当外界压力保持恒定时，待测气体的谱线形状和宽度可在理论认为其是保持稳定不变的。

3.5 光纤气体传感器耦合

3.5.1光源与探测器的耦合

理论上，光源发射光功率从多地汇入到传输的光纤，属于光纤和光源耦合的问题。通常情况下，采取藕合效率对耦合程度进行表示，公式表示如下；

(3.5)

表示为耦合输出功率，表示为光源总功率

3.5.2 气室的耦合

在气体传感器中存在一个敏感元件为气室。稳定的气室能帮我们只需简单的更换光源就可以完成对不同气体的浓度检测。气室组成部分包含输出与输入两组透镜。光纤射出光经输入透镜变成平行光，经气室耦合至输出的透镜，下面给出了三类气室设计的模型图。

图3-5气室设计图

上面三组设计图分别是(a)投射式气室；（b）反射式气室；（c）渐变折射式气室。

3.6本章小结

本章主要介绍了气体传感器的特性概述，首先简单介绍了气体分子光谱理论，然后粗略的介绍了光谱吸收定律和气体分子的吸收线，最后描述了一下气体传感器耦合问题为下一章节介绍总体设计做好铺垫。

4. 系统总体设计

4.1引言

在光纤气体传感系统当中，总是会存在很多影响测试结果的不利因素，比如光源光功

率的波动、气室对光路的干扰、PIN管的噪声等等，我们可以通过利用差分吸收检测方法

和波长调制谐波检测方法来减弱不利因素对结果的影响来保证测试的准确性

4.2谐波检测原理

当电路上施加了正弦波的电压时，所通过的电流将会变成非正弦波形式，非正弦波电流在电网阻抗上将会产生压降，使得电压波形也变为非正弦波形式。非正弦波可分解为傅里叶级数，频率与工频相同的分量称为基波，频率大于基波的分量称为谐波;如变频器、电磁炉、电动机、整流器、电子用品等都会产生谐波。谐波检测方法最开始提出来的时候是作为一种检测微弱信号的方法。在电子光谱，声光光谱以及Zeeman及Stark光谱的研究中均有涉及。谐波检测的基本原理是把一个高频调制过的信号(依赖于某频率)气体传感器，使其“检索”待测的特征信号[ix]。之后在信号处理过程中，通过调制频率或调制频率的倍频以此依据来作为参考信号，用锁相放大器记录下所有已得到的特征信息，这里得到的特征信息便是由调制信号产生的谐波信息。如果调制出来的谐波信号不满足规律的数学关系比例就会导致出现极大的偏差。虽然存在一定的弊端，但是谐波检测技术仍适用于上述各种光谱的微弱信号检测。

图4-2谐波检测原理图

在图4-2 (a)中，发射器的波长被正弦信号的调制，输出的光信号是含有一次和二次谐波的强度信号。如图4-2（b）所示通过把发射器固定在光谱气体吸收峰上，或者让照射光扫过气体的吸收谱，最后用锁相放大器检测二次谐波的最大值，就可测量气体的浓度。

4.3差分吸收原理

由Lambert －Beer定律我们可知：

（式4-3）

在4-3式中，和分别是初始和入射光强; 是某波长下的单位浓度、单

位长度介质的吸收系数; 是米氏散射系数; 是瑞利散射系数；是表征气

体密度波动造成的吸收和散射总的变化量;0是待测气体与光相互作用的长度;c是

待测气体的浓度。

如图4-3所示宽带光源LED的谱宽比气体吸收线宽大的多，使用不

同中心波长的干涉光栅滤光片就可以提取需要的波长和。为测量气体的吸收谱线

中心波长，为偏离吸收谱线某一气体的波长的吸收谷，通过上图结构我们可以依次

实现差分吸收法。

4.4系统理论设计

图4-4为本文设计的光纤气体传感系统结构，光源LED与传输光纤藕合进入气室，再由气室由藕合器通过光纤到达法布里-珀罗干涉腔。频率调节后进入光检测器PIN由光信号转化为电信号。经电压调制方式，继而调控布里-珀罗干涉腔长，继而有效控制光波长。经由电脑模拟软件处理后，就可以检测出待测气体的浓度。

图4-4光纤传感器系统

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