光纤气体传感器课件
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光纤气体传感器及其应用
目录
1、光纤气体传感器应用背景
2、光纤气体传感器分类
3、光谱吸收型传感器原理及 检测方法
4、光谱吸收型光纤气体传感 器的应用 5、光纤气体传感器总结
1.光纤气体传感器应用背景
（1）工程测试过程中，需要及时准确地对易燃 易爆、有毒有害的气体进行监测预报。 （2）随着人们生活水平的提高，人类对生态环 境的要求也越来越高。迫切要求监测易燃易爆、有毒 有害气体，减少环境污染，确保身心健康。 （3）光纤气体传感器具有传输功率损耗小，传 输信息容量大，抗电磁干扰能力强，易于实现远距离 遥测等优点。
3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法 3.3光谱吸收式气体传感器理论基础 核心思想：Lambert-Beer定律
Iout Iin (v)exp (v)CL
(v)为光频为v处的吸收系数，表示体积浓度为100%， 吸收光程长度为1cm时吸收气体对频率为的v单色光的 吸收能力； C为吸收气体体积浓度百分比； L为总的气体吸收光程，单位cm。
2.光纤气体传感器分类
各种光纤气体传感器及其性能比较
传感器类型 优点 缺点
干涉型
反射型 光纤渐逝场 气体传感器 近 红 差分吸收检测 外 吸 谐波检测 收
灵敏度高
灵敏度较高
稳定性差，难以实现遥测
线性范围窄，长期稳定性差， 需加工
表面污染问题严重，其中多聚 灵敏度高，能实现 物包层光纤对相对温度、湿度、 分布式传感及交叉 渐逝场的强度依赖性大；需加 分辨 工 灵敏度高 灵敏度高，稳定性 较好
斩波器的使用使得稳定性不高， 滤波片的使用使得有用光功率 不足
需求光源可调谐范围较宽，频 率稳定度高，光源驱动较复杂 传感探头带电，难以实现遥测， 且需要大功率输出光源
光吸收热效应
灵敏度较高
2.光纤气体传感器分类
图2-2甲烷气体光纤探测器
图2-1光子晶体光纤气体传感器
3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法 3.1光谱吸收型光纤传感器 光谱吸收法是通过检测气体透射光强或反射 光强的变化来检测气体浓度的方法。每种气 体分子都有自己的吸收(或辐射)谱特征，光 源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的部分 才产生吸收，吸收后的光强将发生变化。
3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法 优点：有效消除光路干扰和光源强 度变化的影响，灵敏度高 缺点：斩波器的使用，使得稳定性 不高；滤波片的使用，使得有用光 功率不足。
3.光谱吸收型传感器应用
近年来，吸收型光纤气体传感器已得到实际应用， 如分布反馈式半导体激光器（DFBLD）构成的能够 同时检测甲烷和乙炔2种气体的谐波检测系统以及由
5.总结
首先对光纤气体传感器研究背景及优点进行了 说明，然后又介绍了具体原理，并落脚于生活中最 常用的、现阶段发展最快的光谱吸收型光纤气体传 感器。我们可以看出相比于其它电学类传感器而言， 光纤气体传感器在恶劣环境下的在线连续监测方面 发挥着重要作用，有着不可替代的优势。因此光纤 体传感器，特别是基于光谱吸收型光纤气体传感 器，未来的发展和应用前景将不可限量。
3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法 核心思想：Lambert-Beer定律
Iout Iin (v) 1 (v)CL
(v ) (v0 )
v
0
v v0 1
2
(v0 )
2
v
v0 v0 v0
v
3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法 3.4 气体分子光谱吸收理论 气体分子只吸收那些能 量正好等于它的某两个 能级的能量之差的光子， 吸收的光子后的分子将 从低能态激发到较高的 能态上，在激发态停留 很短的时间后，有通过 释放出光子回到稳定态， 这就是气体分子的选择 吸收理论。
3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法
优点：可从理论上完全消除光路 的干扰因素，并消除光源输出光 功率不稳定的影响。 缺点：对光源中心波长的漂移以 及滤波特性对检测结果的影响是 无能为力的。
3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法
两个滤光片的中心波长分别为1和 2 1 对应被检测气体的强吸收峰，称为工 作波长； 2 对应被检测气体的弱吸收波段，称为 参考波长。 两个波长尽可能靠近，这样光路对工作 波长和参考波长的干扰效应就可认为是近 似相等的。
THANKS
LED构成的甲烷时间差分检测系统。
甲烷和乙炔都是易燃易爆气体，在石英光纤的低 损耗波段都有较强的吸收峰。甲烷在1.66和1.33波段 有2个吸收峰，乙炔在1.53波段有吸收峰，可以用直 接吸收的方法来进行测量。
4.光谱吸收型传感器应用
右图是一个由DFB半导 体激光器构成的光纤气体 传感系统，该系统应用2 个波长分别为1.66和1.53 的DFB激光器（分别对应 于甲烷和乙炔的吸收峰）, 可以同时测量甲烷和乙炔 2种气体浓度。
甲烷气体吸收光谱图
3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法 3.5检测方法 • 目的：抑制噪声，提高灵敏度
单波长差分 差分吸收技术 双波长差分 强度调制 调制技术 浓度调制 波长调制
3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法
一路通过含有被测气体的检测气室；一 路通过不含被测气体的参考气室即真空，其 衰减代表了光路中与被测物质无关的损耗。 单波长差分吸收技术适用于窄带光源， 比如激光器，其谱线宽度较小，能量比较集 中。如果激光器的中心波长和气体吸收峰中 心波长对准，则由测量通过待测气体的输出 光强可以检测气体的浓度。
3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法
光谱吸收型光纤传感器是基于激光光谱分析技术 设计的，结合现代光纤通信技术，将以前主要用 于实验室气体分析的激光光谱分析技术应用在工 业现场。同时利用光纤技术的特点，使光谱吸收 型光纤传感器在探测灵敏度、远程遥测、多点测 量方面发挥更大的优势
3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法 3.2 近红外光谱吸收型光纤传感器 近红外光谱吸收型光纤气体传感器与其他光纤 气体传感器相比具有极高的测量灵敏度，极高 的气体鉴别能力，快速的响应能力，简单可靠 的气体传感探头、气室以及易于形成网络等优 点，是目前研究最广泛，最有前途的一种光纤 气体传感技术。
目录
1、光纤气体传感器应用背景
2、光纤气体传感器分类
3、光谱吸收型传感器原理及 检测方法
4、光谱吸收型光纤气体传感 器的应用 5、光纤气体传感器总结
1.光纤气体传感器应用背景
（1）工程测试过程中，需要及时准确地对易燃 易爆、有毒有害的气体进行监测预报。 （2）随着人们生活水平的提高，人类对生态环 境的要求也越来越高。迫切要求监测易燃易爆、有毒 有害气体，减少环境污染，确保身心健康。 （3）光纤气体传感器具有传输功率损耗小，传 输信息容量大，抗电磁干扰能力强，易于实现远距离 遥测等优点。
3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法 3.3光谱吸收式气体传感器理论基础 核心思想：Lambert-Beer定律
Iout Iin (v)exp (v)CL
(v)为光频为v处的吸收系数，表示体积浓度为100%， 吸收光程长度为1cm时吸收气体对频率为的v单色光的 吸收能力； C为吸收气体体积浓度百分比； L为总的气体吸收光程，单位cm。
2.光纤气体传感器分类
各种光纤气体传感器及其性能比较
传感器类型 优点 缺点
干涉型
反射型 光纤渐逝场 气体传感器 近 红 差分吸收检测 外 吸 谐波检测 收
灵敏度高
灵敏度较高
稳定性差，难以实现遥测
线性范围窄，长期稳定性差， 需加工
表面污染问题严重，其中多聚 灵敏度高，能实现 物包层光纤对相对温度、湿度、 分布式传感及交叉 渐逝场的强度依赖性大；需加 分辨 工 灵敏度高 灵敏度高，稳定性 较好
斩波器的使用使得稳定性不高， 滤波片的使用使得有用光功率 不足
需求光源可调谐范围较宽，频 率稳定度高，光源驱动较复杂 传感探头带电，难以实现遥测， 且需要大功率输出光源
光吸收热效应
灵敏度较高
2.光纤气体传感器分类
图2-2甲烷气体光纤探测器
图2-1光子晶体光纤气体传感器
3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法 3.1光谱吸收型光纤传感器 光谱吸收法是通过检测气体透射光强或反射 光强的变化来检测气体浓度的方法。每种气 体分子都有自己的吸收(或辐射)谱特征，光 源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的部分 才产生吸收，吸收后的光强将发生变化。
3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法 优点：有效消除光路干扰和光源强 度变化的影响，灵敏度高 缺点：斩波器的使用，使得稳定性 不高；滤波片的使用，使得有用光 功率不足。
3.光谱吸收型传感器应用
近年来，吸收型光纤气体传感器已得到实际应用， 如分布反馈式半导体激光器（DFBLD）构成的能够 同时检测甲烷和乙炔2种气体的谐波检测系统以及由
5.总结
首先对光纤气体传感器研究背景及优点进行了 说明，然后又介绍了具体原理，并落脚于生活中最 常用的、现阶段发展最快的光谱吸收型光纤气体传 感器。我们可以看出相比于其它电学类传感器而言， 光纤气体传感器在恶劣环境下的在线连续监测方面 发挥着重要作用，有着不可替代的优势。因此光纤 体传感器，特别是基于光谱吸收型光纤气体传感 器，未来的发展和应用前景将不可限量。
3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法 核心思想：Lambert-Beer定律
Iout Iin (v) 1 (v)CL
(v ) (v0 )
v
0
v v0 1
2
(v0 )
2
v
v0 v0 v0
v
3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法 3.4 气体分子光谱吸收理论 气体分子只吸收那些能 量正好等于它的某两个 能级的能量之差的光子， 吸收的光子后的分子将 从低能态激发到较高的 能态上，在激发态停留 很短的时间后，有通过 释放出光子回到稳定态， 这就是气体分子的选择 吸收理论。
3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法
优点：可从理论上完全消除光路 的干扰因素，并消除光源输出光 功率不稳定的影响。 缺点：对光源中心波长的漂移以 及滤波特性对检测结果的影响是 无能为力的。
3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法
两个滤光片的中心波长分别为1和 2 1 对应被检测气体的强吸收峰，称为工 作波长； 2 对应被检测气体的弱吸收波段，称为 参考波长。 两个波长尽可能靠近，这样光路对工作 波长和参考波长的干扰效应就可认为是近 似相等的。
THANKS
LED构成的甲烷时间差分检测系统。
甲烷和乙炔都是易燃易爆气体，在石英光纤的低 损耗波段都有较强的吸收峰。甲烷在1.66和1.33波段 有2个吸收峰，乙炔在1.53波段有吸收峰，可以用直 接吸收的方法来进行测量。
4.光谱吸收型传感器应用
右图是一个由DFB半导 体激光器构成的光纤气体 传感系统，该系统应用2 个波长分别为1.66和1.53 的DFB激光器（分别对应 于甲烷和乙炔的吸收峰）, 可以同时测量甲烷和乙炔 2种气体浓度。
甲烷气体吸收光谱图
3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法 3.5检测方法 • 目的：抑制噪声，提高灵敏度
单波长差分 差分吸收技术 双波长差分 强度调制 调制技术 浓度调制 波长调制
3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法
一路通过含有被测气体的检测气室；一 路通过不含被测气体的参考气室即真空，其 衰减代表了光路中与被测物质无关的损耗。 单波长差分吸收技术适用于窄带光源， 比如激光器，其谱线宽度较小，能量比较集 中。如果激光器的中心波长和气体吸收峰中 心波长对准，则由测量通过待测气体的输出 光强可以检测气体的浓度。
3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法
光谱吸收型光纤传感器是基于激光光谱分析技术 设计的，结合现代光纤通信技术，将以前主要用 于实验室气体分析的激光光谱分析技术应用在工 业现场。同时利用光纤技术的特点，使光谱吸收 型光纤传感器在探测灵敏度、远程遥测、多点测 量方面发挥更大的优势
3.光谱吸收型传感器原理及 检测方法 3.2 近红外光谱吸收型光纤传感器 近红外光谱吸收型光纤气体传感器与其他光纤 气体传感器相比具有极高的测量灵敏度，极高 的气体鉴别能力，快速的响应能力，简单可靠 的气体传感探头、气室以及易于形成网络等优 点，是目前研究最广泛，最有前途的一种光纤 气体传感技术。