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一氧化碳是一種無(wú)色無(wú)味、易燃易爆的有毒氣體，是碳基燃料燃燒后不完整后的主要產(chǎn)物。我62616964757a686964616fe58685e5aeb9339們可以用一氧化碳所占燃燒氣體的比例來(lái)表示燃燒的效率。即便國(guó)家對(duì)汽車尾氣排放的審核標(biāo)準(zhǔn)一再提高，但是隨著人們與日俱增的對(duì)物質(zhì)需求的提升和人均用車量導(dǎo)致CO等溫室的氣體污染不斷加重。在原礦進(jìn)行提煉時(shí)，整個(gè)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程比較容易釋放煤氣。因?yàn)樵诂F(xiàn)代化的生活與工業(yè)生產(chǎn)中，煤氣屬于中關(guān)鍵性能源，伴隨社會(huì)發(fā)展與進(jìn)步，煤氣使用、生產(chǎn)以及運(yùn)輸規(guī)模不斷變大，而煤氣中一氧化碳的含量比較多。并且其中一氧化碳占比將近0.97，基本等同于空氣含量，所以擴(kuò)散難度比較大，經(jīng)常會(huì)聚集在某個(gè)區(qū)域。如果一個(gè)區(qū)域中一氧化碳的含量達(dá)到特定濃度，極易引起爆炸的事故。同時(shí)一氧化碳是無(wú)味無(wú)色的氣體，比較難察覺(jué)氣體傳感器，這種氣體是有毒的氣體，所以經(jīng)常會(huì)見(jiàn)到一氧化碳的中毒事件。一氧化碳這種劇毒性的氣體，最主要的危害有兩點(diǎn)：一是會(huì)污染大氣環(huán)境，二是會(huì)一氧化碳會(huì)使得人體內(nèi)細(xì)胞缺氧而導(dǎo)致人機(jī)體細(xì)胞死亡。如果人體血液的循環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)入了一氧化碳，這種氣體就會(huì)結(jié)合血紅蛋白，生產(chǎn)碳氧的血紅蛋白，這種血紅蛋白比較難解離，導(dǎo)致人的組織細(xì)胞缺氧甚至死亡。二氧化碳是一種完全燃燒的產(chǎn)物，通常用于定量攝入EGR水平;它也是一種重要的溫室氣體，與CO一起，是一種燃燒完成度和總排碳量的測(cè)量方法。因此，如何在生活以及工作環(huán)境對(duì)一氧化碳和二氧化碳進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，對(duì)于今后生態(tài)環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要。在國(guó)內(nèi)環(huán)境污染不斷加重以及檢測(cè)技術(shù)不夠先進(jìn)的背景下，各種檢測(cè)設(shè)備老化，因?yàn)檫@些諸多問(wèn)題環(huán)氧乙烷檢測(cè)儀，需要將環(huán)境的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域投資加大，繼而推動(dòng)光纖氣體的監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展。就目前而言，國(guó)內(nèi)大氣質(zhì)量的周報(bào)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，這些氣體監(jiān)測(cè)儀主要源自國(guó)外，并且這些儀器主要采取光化學(xué)方式監(jiān)測(cè)，就監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的態(tài)勢(shì)來(lái)看，最新一代的監(jiān)測(cè)技術(shù)是光譜學(xué)與光學(xué)技術(shù)，這兩種技術(shù)即為差分吸收的光譜技術(shù)。[i]

1.1氣體傳感技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

伴隨全球工業(yè)化的革命發(fā)展，生產(chǎn)力提升和日新月異科技的發(fā)展卻導(dǎo)致環(huán)境污染變得越來(lái)越嚴(yán)重，環(huán)境保護(hù)已成為了全世界不得不一起共同面對(duì)的巨大挑戰(zhàn)。各國(guó)政府都設(shè)置環(huán)境保護(hù)的組織，旨在經(jīng)科學(xué)手段檢測(cè)污染源，合理的運(yùn)用新型的傳感測(cè)量技術(shù)是針對(duì)環(huán)境污染最有效監(jiān)控途徑。近幾年來(lái)，世界各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)投資比較大，通過(guò)大量物力以及人力對(duì)新型傳感的器件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，用來(lái)對(duì)未知的污染源進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)對(duì)已知的污染源變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。有學(xué)者預(yù)測(cè)，環(huán)境保護(hù)傳感器的市場(chǎng)會(huì)逐漸擴(kuò)大，直至在未來(lái)環(huán)境保護(hù)方面市場(chǎng)份額達(dá)到舉足輕重的地位。僅僅在我國(guó)2016年對(duì)傳感器需求就達(dá)到了30億只，換算市值可達(dá)到1200億元。光纖傳感技術(shù)是一種七十年代后期才逐漸開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。但是我國(guó)中高檔傳感器幾乎均靠國(guó)外進(jìn)口，國(guó)內(nèi)缺乏對(duì)新型光纖傳感技術(shù)為原理的新型傳感器研發(fā)和產(chǎn)品化。而由于光纖傳感器有極高的靈敏度和精度、輕細(xì)柔軟便于安裝、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和安全抗干擾性的特性，能補(bǔ)足傳統(tǒng)傳感器的種種局限，因此我們可以斷言光纖傳感器將會(huì)在未來(lái)環(huán)境監(jiān)控上起到重大的作用和影響。

氣體檢測(cè)傳感器的發(fā)展趨勢(shì)是：

1.由勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型方向發(fā)展。

2.氣體檢測(cè)現(xiàn)在主要經(jīng)大型工業(yè)的實(shí)驗(yàn)室以及人工采樣方式來(lái)處理，今后應(yīng)該轉(zhuǎn)向智能化、機(jī)械化以及自動(dòng)化的方向。

3.由物理理論領(lǐng)域監(jiān)測(cè)向全方位信息領(lǐng)域監(jiān)測(cè)的方向發(fā)展。

4．向新材料新工藝傳感器發(fā)展。

5.向物理、電子、光學(xué)等多方面高新領(lǐng)域發(fā)展。

6.由單功能向多功能傳感器發(fā)展。

1.3 本論文內(nèi)容和結(jié)構(gòu)框架

本論文第一章對(duì)氣體傳感器應(yīng)用前景與當(dāng)前進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，對(duì)氣體傳感器發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)，以便給氣體傳感器研究提供參考。

第二章對(duì)光纖氣體的傳感器分類與發(fā)展進(jìn)行介紹，同時(shí)分析LED燈在今后氣體傳感器的發(fā)展中所產(chǎn)生的影響。

第三章介紹了了氣體傳感器的特性概述，首先簡(jiǎn)單介紹了氣體分子光譜理論，然后粗略的介紹了光譜吸收定律和氣體分子的吸收線，最后描述了一下氣體傳感器耦合問(wèn)題。

第四章主要介紹了在光纖氣體傳感系統(tǒng)當(dāng)中，因?yàn)榇嬖诤芏嘤绊憸y(cè)試結(jié)果的不利因

素，而我們可以通過(guò)差分吸收檢測(cè)方法和波長(zhǎng)調(diào)制諧波檢測(cè)方法來(lái)保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，本

章簡(jiǎn)單的介紹了一下差分吸收法和諧波檢測(cè)的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)和給出了模型支持簡(jiǎn)單的了

解了兩種方法的工作原理。還以此建立了傳感器的理論模型。

第五章主要研究了一種簡(jiǎn)單的檢測(cè)co2和co的基于LED光譜吸收的氣體傳感器，同時(shí)分析了其工作原理和工作模擬圖，通過(guò)比對(duì)不同氣體的吸收譜來(lái)選擇相應(yīng)的波長(zhǎng)闡述了具體的設(shè)計(jì)理念展示了相關(guān)數(shù)據(jù)。

第六章總結(jié)了本論文所完成的研究工作，討論了論文本身存在的不足之處。展望了未來(lái)光纖傳感器的發(fā)展和進(jìn)步。

2 光纖氣體傳感器概論

2.1 光纖氣體傳感器的發(fā)展

由于氣體光譜的吸收氣體測(cè)量的技術(shù)，主要優(yōu)勢(shì)就是鑒別氣體濃度以及測(cè)量的靈敏度比較高，所以在控制工業(yè)的氣體監(jiān)測(cè)以及環(huán)境監(jiān)測(cè)中有著重要作用。通常傳統(tǒng)吸收光譜的分析方法只可以對(duì)野外實(shí)地的采集樣本進(jìn)行監(jiān)測(cè)，再經(jīng)實(shí)驗(yàn)室的儀器實(shí)施精確光譜的分析。另外，傳統(tǒng)吸收光譜工作的時(shí)間比較長(zhǎng)，儀器的精密性要求，所以對(duì)工作環(huán)境有著一定要求，所以導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用受限，特別在工業(yè)氣體與環(huán)境監(jiān)測(cè)控制的過(guò)程中，傳統(tǒng)分析方法無(wú)法與在線連續(xù)性的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)要求相符。而光纖傳的感技術(shù)在70年代的末期才逐漸出現(xiàn)在大家視野的一門(mén)高新技術(shù)。把石英光纖當(dāng)作例子，于1.55波長(zhǎng)附近，光纖的損耗能夠降低到每公里 0.2d B。換句話說(shuō)，光纖氣體傳感器可以克服以往舊的傳感器無(wú)法對(duì)惡劣環(huán)境的情況（例如高溫環(huán)境、易爆高危高毒環(huán)境或高頻高磁場(chǎng)環(huán)境），工作人員可以通過(guò)相應(yīng)的軟件程序進(jìn)行遠(yuǎn)距離操控。與傳統(tǒng)的電傳感器相比，光纖傳感器所需要的匹配功率較低，操作人員的安全得到大大提升。另外，光纖由于具有耐腐蝕的特性，可在高核輻射這種危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)。由于光纖有交寬頻帶，可以攜帶海量信息，經(jīng)分波長(zhǎng)、分時(shí)與分頻等多路服用的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)不同傳感器共用傳輸?shù)墓饫w，一個(gè)探測(cè)器或是一個(gè)光源，一根光纖，就可以測(cè)量不同的化學(xué)參量，或用于多點(diǎn)或分布式測(cè)量，這樣可以大大降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。[ii]

光纖傳感器主要優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、靈敏度比較高、體積較小以及耐腐蝕等，也就因?yàn)檫@些優(yōu)勢(shì)逐漸受到廣大科研人員的喜愛(ài)。在無(wú)數(shù)的智慧火花碰撞后衍生出了許多結(jié)合其他的高新領(lǐng)域和光纖的傳感技術(shù)的新技術(shù)，也就是氣體傳感的技術(shù)。到目前為止，光纖的傳感器在濃度、位移、加速度以及振動(dòng)等物理量測(cè)量中有廣泛應(yīng)用，其市場(chǎng)前景與潛力比較大[iii]。

2.2光纖氣體傳感器的分類

光纖傳感器主要在氣體物理與化學(xué)性質(zhì)、光學(xué)現(xiàn)象等測(cè)量中，下面我們將簡(jiǎn)單的介紹幾種主流的光纖傳感器：

2.2.1光譜吸收型熒光型

我們可以通過(guò)測(cè)量與之相對(duì)應(yīng)熒的光輻射對(duì)氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)，熒光不僅可以由被物質(zhì)的被測(cè)物質(zhì)自身變化而來(lái)，而且可以由熒光染料和被測(cè)物化學(xué)反應(yīng)而來(lái)。圖2-1呈現(xiàn)的是熒光物質(zhì)經(jīng)吸收特定的波長(zhǎng)所得光照，當(dāng)電子將能量吸收以后，就會(huì)轉(zhuǎn)變成受激的狀態(tài)，由低能態(tài)轉(zhuǎn)變成高能態(tài)；電子受光輻射的刺激以后，會(huì)出現(xiàn)熒光，并且此時(shí)熒光波長(zhǎng)比應(yīng)激波長(zhǎng)大。通常在受激的狀態(tài)下，電子不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間停留，其壽命普遍在1-20ns之間。

圖2-1熒光產(chǎn)生機(jī)理

如果測(cè)量濃度將某種特定光照射吸收以后，不僅可以對(duì)熒光輻射強(qiáng)度進(jìn)行改變，而且能引起壽命的變化。所以按照各種測(cè)量的方式以及傳感的機(jī)理，可以劃分成兩種，其一是對(duì)熒光輻射的壽命進(jìn)行測(cè)量；其二是對(duì)熒光輻射的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量[iv]。相較于吸收型的光纖傳感器，熒光型的傳感器中傳感熒光波長(zhǎng)與激勵(lì)光波長(zhǎng)不一樣，因?yàn)楦鞣N熒光材料中熒光輻射的波長(zhǎng)不一樣，所以熒光傳感器在鑒別被測(cè)量物方面，準(zhǔn)確性比較高[v]。就實(shí)際應(yīng)用而言氣體傳感器，人們經(jīng)常希望激勵(lì)波長(zhǎng)和輻射波長(zhǎng)可以有較遠(yuǎn)的距離，以便經(jīng)價(jià)格低廉波長(zhǎng)的濾波器劃分傳感光和激勵(lì)光。都要去激勵(lì)波長(zhǎng)處于近紅外區(qū)或是見(jiàn)光區(qū)，關(guān)于這段波的研究技術(shù)相對(duì)成熟，價(jià)格方面人們也比較容易接受。熒光傳感的原理主要就是對(duì)某固定的波長(zhǎng)段熒光的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)這個(gè)原理，能夠制作出熒光pH的傳感器，即通過(guò)實(shí)驗(yàn)不斷改變濃度ph值的大小，使得熒光輻射的強(qiáng)度也不斷改變。熒光壽命的測(cè)量方法較為復(fù)雜，這里我們就暫且不去討論。熒光型傳感器具有極高的物質(zhì)鑒別能力但其缺點(diǎn)就是其檢測(cè)信號(hào)極其微弱不易測(cè)量且設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)極其復(fù)雜，不利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和商品化。

2.2.2基于折射率變化的傳感器

就折射率的變化也就是光程變化光纖傳感器而言，主要是將特殊材料涂敷在光纖端面或是表面，該材料折射率與體積在氣體上有較強(qiáng)的敏感性。例如：雜聚硅氧烷( HPS)材料能夠經(jīng)溶膠凝膠(Sol-Gel)方式，將其涂抹于光纖的表面，并且設(shè)計(jì)涂層的折射率類似石英光纖的折射率。該材料與某種化學(xué)量發(fā)生作用后，會(huì)改變了折射率，這各類型HPS能夠?qū)Σ煌瘜W(xué)量進(jìn)行測(cè)量。例如：glycidoxyl propyl siloxane折射率在碳?xì)浠衔锓磻?yīng)后，對(duì)于甲苯會(huì)有敏感性。并且折射率發(fā)生變化，會(huì)使得波導(dǎo)參數(shù)發(fā)生變化，例如：雙折射率、損耗與有效的折射率等，上述參數(shù)能夠采取千涉或是強(qiáng)度檢測(cè)方式進(jìn)行測(cè)量。膜與氫氣相遇，就會(huì)出現(xiàn)膨脹，四氟乙烯、高分子膜與己烷、酒精燈相遇，同樣會(huì)膨脹。這些材料會(huì)在光纖的端部沉積，構(gòu)成Fabry-Perot的干涉儀，而氣體所致薄膜膨脹可已經(jīng)測(cè)量干涉儀的光強(qiáng)度輸出獲得。[vi]

2.2.3基于染料染色劑的傳感器

在石英的吸光譜上，部分氣體吸收波不夠明顯，即便存在吸收波，但是因?yàn)楦鞣N因素導(dǎo)致相應(yīng)波長(zhǎng)的光源并不存在與現(xiàn)實(shí)生活中，基于這種情況應(yīng)運(yùn)而生的便是將染料指示劑當(dāng)作中間產(chǎn)物，完成間接的傳感。一旦燃料和氣體產(chǎn)生化學(xué)的反應(yīng)，本身光學(xué)的性質(zhì)同樣會(huì)變化，經(jīng)過(guò)對(duì)其中變化進(jìn)行測(cè)量，可以獲取被測(cè)氣體信息[vii]。ph值的傳感器屬于較常見(jiàn)的一種，染料的指示劑，例如：石蕊試紙顏色會(huì)伴隨ph大小改變而發(fā)生變化。因此我們可以通過(guò)測(cè)量所對(duì)應(yīng)的溶液ph值來(lái)測(cè)量部分氣體的濃度（如NH3.CO2等）。

2.2.4 光纖漸逝場(chǎng)氣體傳感器

光纖漸逝場(chǎng)氣體傳感器在現(xiàn)實(shí)生活是一類已經(jīng)得到實(shí)現(xiàn)且具有廣大潛力前景的一類傳感器。企業(yè)已經(jīng)能商業(yè)化出產(chǎn)著在波長(zhǎng)3.39um處利用漸逝場(chǎng)原理的光纖傳感器。但是另一方面因?yàn)樵擃悅鞲衅髟谠摬ㄩL(zhǎng)段處的光纖傳輸損耗極高運(yùn)用效率極低，導(dǎo)致該類別傳感器的光路往往不能夠超過(guò)3米及以上標(biāo)準(zhǔn)。此類傳感器檢測(cè)的氣體濃度同時(shí)也將限制于百分之二量級(jí)上。漸逝場(chǎng)的傳感器并且容易發(fā)生表面污染的問(wèn)題，即便經(jīng)高分子的隔離膜能夠防止大型的污染物進(jìn)入到漸逝場(chǎng)的區(qū)域，和氣體分子的體積接近的分子卻難以阻擋，這些污染物將會(huì)改變光纖表面的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，從而改變其測(cè)量出的參數(shù)導(dǎo)致影響傳感器的靈敏度。如何降低表面污染對(duì)漸勢(shì)場(chǎng)型傳感器的影響是未來(lái)科研人員仍需要攻克的主要技術(shù)性難關(guān)。

漸勢(shì)場(chǎng)型光纖氣體傳感原理圖

2.2.5 吸收式光纖氣體傳感器

在這些傳感器之中，光纖作用就是當(dāng)作傳輸?shù)慕橘|(zhì)，只可以對(duì)光能量進(jìn)行傳輸，所傳輸光能量能夠和待測(cè)氣體的樣本互相作用，產(chǎn)生各類信息，以便在某些區(qū)域檢測(cè)待測(cè)氣體的樣本[viii]。依據(jù)現(xiàn)有的情況數(shù)據(jù)分析，吸收式光纖氣體傳感器是在現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)手段支持下由理論走向造福社會(huì)的一類新型的傳感器。

吸收型的傳感器主要是經(jīng)氣體測(cè)量石英光纖透射窗口(0.8-1.7um)吸收峰。通過(guò)氣體吸收產(chǎn)生的光強(qiáng)衰減程度來(lái)通過(guò)一定的數(shù)學(xué)公式運(yùn)算對(duì)氣體濃度進(jìn)行測(cè)定，主要是按照Lambert-Beer的定律計(jì)算。常見(jiàn)氣體(如CO2, C2H2, CH4, N02, C0)在紅外光譜范圍內(nèi)都存在較強(qiáng)的吸收譜線，該紅外光譜波段對(duì)應(yīng)接收器與氣體的發(fā)光器均是相對(duì)理想光電轉(zhuǎn)換的器件。經(jīng)該方式能夠準(zhǔn)確測(cè)量大部分氣體的濃度，不僅能保證產(chǎn)品質(zhì)量安全，而且具有靈敏度高、高抗電磁干擾功能、響應(yīng)速度比傳統(tǒng)傳感器快、成本價(jià)格低廉、運(yùn)用對(duì)象廣泛、具有良好的兼容性特別是傳感頭不帶電、本質(zhì)防爆的特點(diǎn)，在高危工業(yè)的檢測(cè)中應(yīng)用前景較好，此次所用傳感器就是吸收型傳感器

圖3吸收型光纖氣體傳感的原理圖

2.3LED在傳感器起到的功效

在光纖的系統(tǒng)中，主要是采取光纖和發(fā)光二極管最佳耦合高亮度，并且傳感器中明確要求部件達(dá)到最大利用率和安全保障率的同時(shí)，確保發(fā)射波長(zhǎng)和光纖吸收的頻率創(chuàng)口一樣。LED的器件公共特性都一樣，光/電流的曲線特性如圖2-3所示。如果范圍比較寬，也就是40dB左右，在一定的范圍區(qū)間內(nèi)光輸出就會(huì)伴隨正向偏置電流變化方向，與線性圖比較接近，然而，伴隨器件的溫度變化，會(huì)增加使用期，曲線也會(huì)越來(lái)月平穩(wěn)。這種變化會(huì)影響到傳感器的系統(tǒng)，繼而使得測(cè)量數(shù)據(jù)間存在極大偏差。因此需要及時(shí)經(jīng)熱反饋方式，對(duì)這些變化進(jìn)行了解，本文經(jīng)發(fā)射系統(tǒng)或是溫度的敏感電源中光電二極管進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖2-3發(fā)光二極管的光/電流曲線

面發(fā)光二極管與光纖的藕合從結(jié)果上分析這是個(gè)低效率過(guò)程。為什么這么說(shuō)呢？這是因?yàn)長(zhǎng)ED面發(fā)光管所產(chǎn)生的光功率會(huì)散漫的分布在一個(gè)極大的立體角內(nèi)，能夠進(jìn)入光纖部分的輸出光功率甚至不足百分之十，所以結(jié)合單模的光纖系統(tǒng)和發(fā)光二極管使用，沒(méi)有現(xiàn)實(shí)的意義。

邊發(fā)光放入二極管主要是經(jīng)雙異質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生輻射，引起局部?jī)?nèi)波導(dǎo)的效應(yīng)，可以構(gòu)成穩(wěn)定定向紅外的光束，能夠?qū)Πl(fā)射光方向性進(jìn)行保證，將光束限制于垂直方向的30°范圍中，限制在水平方向的120°內(nèi)。所以對(duì)比了面發(fā)光二極管以及邊發(fā)光二極管得出，邊發(fā)光二級(jí)光光耦合的效率比較高，而就接收小立體角類光纖而言，光耦合的效率就是一個(gè)重要部分。

圖2.3.1

從圖2.3.1中我們可以看出只有在某一波段的光才具有在光纖中低損耗傳輸?shù)哪芰Α?/p>

2.4 本章小結(jié)

本章主要介紹了氣體傳感器的發(fā)展歷程，之后又介紹了幾種不同工作類型的光纖型傳感器；為后面介紹該論文闡述的氣體傳感器系統(tǒng)原理做了鋪墊；接著介紹了光纖在LED中起到的作用和功效，展現(xiàn)了吸收型光纖傳感器在未來(lái)的前景。

3.吸收型氣體傳感器特性分析

3.1引言

就氣體分子吸收光譜的理論而言，經(jīng)氣體分子吸收作用以及特定波長(zhǎng)光原理，能夠?qū)怏w濃度進(jìn)行檢測(cè)，因?yàn)闅怏w分子中存在吸收光譜，如果穿過(guò)待測(cè)的氣體，并且氣體濃度不高，該氣體就會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的能量，滿足Lambert －Beer定律。氣體分子的吸收光譜理論和Lambert －Beer定律，建立吸收型傳感器的支持理論框架。然而，因?yàn)闅怏w分子光譜線寬極比較窄，其譜寬主要是納米的量級(jí)，同時(shí)吸收的功勞不大，經(jīng)測(cè)光照的強(qiáng)度增減，對(duì)氣體難度進(jìn)行測(cè)量的難度比較大。因此，需要按照比爾朗伯吸收定律以及氣體分子的光譜理論酒精檢測(cè)儀，經(jīng)諧波檢測(cè)與差分吸收方式，對(duì)各種因素的干擾進(jìn)行克服，有效檢測(cè)出微弱光電的信號(hào)。

3.2 氣體分子光譜理論

當(dāng)電磁輻射與氣體分子相互作用時(shí)，能引起分子狀態(tài)由低能態(tài)過(guò)渡到高能態(tài)，發(fā)生所

謂的能級(jí)躍遷，記錄不同氣體所需要的電磁輻射強(qiáng)度變化被氣體分子所吸收隨波長(zhǎng)的變

化，所得到的光譜圖便是氣體分子吸收光譜

在光纖氣體傳感器傳感系統(tǒng)當(dāng)中由于選擇的光源的波段主要是紅外光的波動(dòng)，在紅外光譜區(qū)，分子振動(dòng)和吸收等，都會(huì)在各能級(jí)間躍遷，能量躍遷能夠經(jīng)量子力學(xué)的原理解釋，在能量的躍遷過(guò)程，氣體分子之中原子會(huì)不斷振動(dòng)，并且分子振動(dòng)過(guò)程，會(huì)發(fā)生自我的轉(zhuǎn)動(dòng)。按照量子力學(xué)的原理可知，如果分子的能態(tài)改變，那么其都是按照特定規(guī)律進(jìn)行變化，分子能級(jí)會(huì)呈現(xiàn)出規(guī)律化。若經(jīng)低能量紅外光的輻射對(duì)分子進(jìn)行照射，則分子能夠吸收相應(yīng)于相鄰轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之差的遠(yuǎn)紅外輻射能量，由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，通常我們將這一現(xiàn)象稱為能級(jí)躍遷。

3.3 光譜吸收定律

當(dāng)光源以平行光的形式通過(guò)待測(cè)氣 體時(shí),如果光源的光譜覆蓋 1個(gè)或多個(gè)氣體的吸

收譜,那么部分光將被吸收，光通過(guò)氣體時(shí)將會(huì)發(fā)生強(qiáng)度衰減。未衰減的光將按原路徑繼

續(xù)傳播。根據(jù)朗伯比爾定律定律,出 射發(fā)光強(qiáng)度 I 與入射發(fā)光強(qiáng)度 I0 和氣體的體積分

數(shù) 之間的關(guān)系為

（3-3）

是氣體吸收系數(shù),即氣體在頻率 v 處 的吸收線型; L 測(cè)量氣體作用在傳感器的長(zhǎng)度單位為m; c 為氣體的濃 度，通過(guò)計(jì)算，上式可變形為：

（3-3.1）

通過(guò)上述公式我們可以知道，當(dāng)氣體的吸收系數(shù)和作用長(zhǎng)度已知，氣體的濃度可以通過(guò)投射光和入射光強(qiáng)來(lái)求出。

圖3.3吸收型傳感器原理

3.4氣體分子的吸收線

氣體分子吸收線寬與以下因素相關(guān):

1.氣體分子自然的線寬;

2.通過(guò)氣體分子自由運(yùn)動(dòng)所引發(fā)多普勒的效應(yīng)，繼而將分子的吸收光譜加寬;

3.分子自由碰撞的展寬。通常情況下，氣體分子自然線寬會(huì)因?yàn)榧ぐl(fā)態(tài)的分子自然壽命、躍遷時(shí)間受到影響，而寬度微小，通?？梢院雎?。

圖3-4氣體分子的典型吸收線

圖3-4中表示波長(zhǎng)的吸收系數(shù)；表示對(duì)應(yīng)的吸收峰；表示帶阻尼的電偶極振子的衰減速率。由上圖可知影響氣體的吸收線寬的因素不僅包括壓力因素還包括溫度因素。但只考慮到碰撞展寬時(shí)，溫度因素對(duì)大局無(wú)影響可忽略。因此我們可以從上圖中得出結(jié)論：當(dāng)外界壓力保持恒定時(shí)，待測(cè)氣體的譜線形狀和寬度可在理論認(rèn)為其是保持穩(wěn)定不變的。

3.5 光纖氣體傳感器耦合

3.5.1光源與探測(cè)器的耦合

理論上，光源發(fā)射光功率從多地匯入到傳輸?shù)墓饫w，屬于光纖和光源耦合的問(wèn)題。通常情況下，采取藕合效率對(duì)耦合程度進(jìn)行表示，公式表示如下；

(3.5)

表示為耦合輸出功率，表示為光源總功率

3.5.2 氣室的耦合

在氣體傳感器中存在一個(gè)敏感元件為氣室。穩(wěn)定的氣室能幫我們只需簡(jiǎn)單的更換光源就可以完成對(duì)不同氣體的濃度檢測(cè)。氣室組成部分包含輸出與輸入兩組透鏡。光纖射出光經(jīng)輸入透鏡變成平行光，經(jīng)氣室耦合至輸出的透鏡，下面給出了三類氣室設(shè)計(jì)的模型圖。

圖3-5氣室設(shè)計(jì)圖

上面三組設(shè)計(jì)圖分別是(a)投射式氣室；（b）反射式氣室；（c）漸變折射式氣室。

3.6本章小結(jié)

本章主要介紹了氣體傳感器的特性概述，首先簡(jiǎn)單介紹了氣體分子光譜理論，然后粗略的介紹了光譜吸收定律和氣體分子的吸收線，最后描述了一下氣體傳感器耦合問(wèn)題為下一章節(jié)介紹總體設(shè)計(jì)做好鋪墊。

4. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

4.1引言

在光纖氣體傳感系統(tǒng)當(dāng)中，總是會(huì)存在很多影響測(cè)試結(jié)果的不利因素，比如光源光功

率的波動(dòng)、氣室對(duì)光路的干擾、PIN管的噪聲等等，我們可以通過(guò)利用差分吸收檢測(cè)方法

和波長(zhǎng)調(diào)制諧波檢測(cè)方法來(lái)減弱不利因素對(duì)結(jié)果的影響來(lái)保證測(cè)試的準(zhǔn)確性

4.2諧波檢測(cè)原理

當(dāng)電路上施加了正弦波的電壓時(shí)，所通過(guò)的電流將會(huì)變成非正弦波形式，非正弦波電流在電網(wǎng)阻抗上將會(huì)產(chǎn)生壓降，使得電壓波形也變?yōu)榉钦也ㄐ问?。非正弦波可分解為傅里葉級(jí)數(shù)，頻率與工頻相同的分量稱為基波，頻率大于基波的分量稱為諧波;如變頻器、電磁爐、電動(dòng)機(jī)、整流器、電子用品等都會(huì)產(chǎn)生諧波。諧波檢測(cè)方法最開(kāi)始提出來(lái)的時(shí)候是作為一種檢測(cè)微弱信號(hào)的方法。在電子光譜，聲光光譜以及Zeeman及Stark光譜的研究中均有涉及。諧波檢測(cè)的基本原理是把一個(gè)高頻調(diào)制過(guò)的信號(hào)(依賴于某頻率)氣體傳感器，使其“檢索”待測(cè)的特征信號(hào)[ix]。之后在信號(hào)處理過(guò)程中，通過(guò)調(diào)制頻率或調(diào)制頻率的倍頻以此依據(jù)來(lái)作為參考信號(hào)，用鎖相放大器記錄下所有已得到的特征信息，這里得到的特征信息便是由調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的諧波信息。如果調(diào)制出來(lái)的諧波信號(hào)不滿足規(guī)律的數(shù)學(xué)關(guān)系比例就會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)極大的偏差。雖然存在一定的弊端，但是諧波檢測(cè)技術(shù)仍適用于上述各種光譜的微弱信號(hào)檢測(cè)。

圖4-2諧波檢測(cè)原理圖

在圖4-2 (a)中，發(fā)射器的波長(zhǎng)被正弦信號(hào)的調(diào)制，輸出的光信號(hào)是含有一次和二次諧波的強(qiáng)度信號(hào)。如圖4-2（b）所示通過(guò)把發(fā)射器固定在光譜氣體吸收峰上，或者讓照射光掃過(guò)氣體的吸收譜，最后用鎖相放大器檢測(cè)二次諧波的最大值，就可測(cè)量氣體的濃度。

4.3差分吸收原理

由Lambert －Beer定律我們可知：

（式4-3）

在4-3式中，和分別是初始和入射光強(qiáng); 是某波長(zhǎng)下的單位濃度、單

位長(zhǎng)度介質(zhì)的吸收系數(shù); 是米氏散射系數(shù); 是瑞利散射系數(shù)；是表征氣

體密度波動(dòng)造成的吸收和散射總的變化量;0是待測(cè)氣體與光相互作用的長(zhǎng)度;c是

待測(cè)氣體的濃度。

如圖4-3所示寬帶光源LED的譜寬比氣體吸收線寬大的多，使用不

同中心波長(zhǎng)的干涉光柵濾光片就可以提取需要的波長(zhǎng)和。為測(cè)量氣體的吸收譜線

中心波長(zhǎng)，為偏離吸收譜線某一氣體的波長(zhǎng)的吸收谷，通過(guò)上圖結(jié)構(gòu)我們可以依次

實(shí)現(xiàn)差分吸收法。

4.4系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)

圖4-4為本文設(shè)計(jì)的光纖氣體傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，光源LED與傳輸光纖藕合進(jìn)入氣室，再由氣室由藕合器通過(guò)光纖到達(dá)法布里-珀羅干涉腔。頻率調(diào)節(jié)后進(jìn)入光檢測(cè)器PIN由光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。經(jīng)電壓調(diào)制方式，繼而調(diào)控布里-珀羅干涉腔長(zhǎng)，繼而有效控制光波長(zhǎng)。經(jīng)由電腦模擬軟件處理后，就可以檢測(cè)出待測(cè)氣體的濃度。

圖4-4光纖傳感器系統(tǒng)

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