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一氧化碳是一種無色無味、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物。我62616964757a686964616fe58685e5aeb9339們可以用一氧化碳所占燃燒氣體的比例來表示燃燒的效率。即便國家對汽車尾氣排放的審核標準一再提高，但是隨著人們與日俱增的對物質需求的提升和人均用車量導致CO等溫室的氣體污染不斷加重。在原礦進行提煉時，整個能量轉化過程比較容易釋放煤氣。因為在現代化的生活與工業生產中，煤氣屬于中關鍵性能源，伴隨社會發展與進步，煤氣使用、生產以及運輸規模不斷變大，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，所以擴散難度比較大，經常會聚集在某個區域。如果一個區域中一氧化碳的含量達到特定濃度，極易引起爆炸的事故。同時一氧化碳是無味無色的氣體，比較難察覺氣體傳感器，這種氣體是有毒的氣體，所以經常會見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：一是會污染大氣環境，二是會一氧化碳會使得人體內細胞缺氧而導致人機體細胞死亡。如果人體血液的循環系統中進入了一氧化碳，這種氣體就會結合血紅蛋白，生產碳氧的血紅蛋白，這種血紅蛋白比較難解離，導致人的組織細胞缺氧甚至死亡。二氧化碳是一種完全燃燒的產物，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量方法。因此，如何在生活以及工作環境對一氧化碳和二氧化碳進行準確檢測，對于今后生態環境保護至關重要。在國內環境污染不斷加重以及檢測技術不夠先進的背景下，各種檢測設備老化，因為這些諸多問題環氧乙烷檢測儀，需要將環境的監測領域投資加大，繼而推動光纖氣體的監測技術發展。就目前而言，國內大氣質量的周報中，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，這些氣體監測儀主要源自國外，并且這些儀器主要采取光化學方式監測，就監測技術發展的態勢來看，最新一代的監測技術是光譜學與光學技術，這兩種技術即為差分吸收的光譜技術。[i]

1.1氣體傳感技術的現狀和發展趨勢

伴隨全球工業化的革命發展，生產力提升和日新月異科技的發展卻導致環境污染變得越來越嚴重，環境保護已成為了全世界不得不一起共同面對的巨大挑戰。各國政府都設置環境保護的組織，旨在經科學手段檢測污染源，合理的運用新型的傳感測量技術是針對環境污染最有效監控途徑。近幾年來，世界各國對環境保護投資比較大，通過大量物力以及人力對新型傳感的器件進行開發，用來對未知的污染源進行識別，同時對已知的污染源變化進行監測。有學者預測，環境保護傳感器的市場會逐漸擴大，直至在未來環境保護方面市場份額達到舉足輕重的地位。僅僅在我國2016年對傳感器需求就達到了30億只，換算市值可達到1200億元。光纖傳感技術是一種七十年代后期才逐漸開始發展起來的新技術。但是我國中高檔傳感器幾乎均靠國外進口，國內缺乏對新型光纖傳感技術為原理的新型傳感器研發和產品化。而由于光纖傳感器有極高的靈敏度和精度、輕細柔軟便于安裝、良好的化學穩定性和安全抗干擾性的特性，能補足傳統傳感器的種種局限，因此我們可以斷言光纖傳感器將會在未來環境監控上起到重大的作用和影響。

氣體檢測傳感器的發展趨勢是：

1.由勞動密集型向技術密集型方向發展。

2.氣體檢測現在主要經大型工業的實驗室以及人工采樣方式來處理，今后應該轉向智能化、機械化以及自動化的方向。

3.由物理理論領域監測向全方位信息領域監測的方向發展。

4．向新材料新工藝傳感器發展。

5.向物理、電子、光學等多方面高新領域發展。

6.由單功能向多功能傳感器發展。

1.3 本論文內容和結構框架

本論文第一章對氣體傳感器應用前景與當前進展進行簡要分析，對氣體傳感器發展趨勢進行總結，以便給氣體傳感器研究提供參考。

第二章對光纖氣體的傳感器分類與發展進行介紹，同時分析LED燈在今后氣體傳感器的發展中所產生的影響。

第三章介紹了了氣體傳感器的特性概述，首先簡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題。

第四章主要介紹了在光纖氣體傳感系統當中，因為存在很多影響測試結果的不利因

素，而我們可以通過差分吸收檢測方法和波長調制諧波檢測方法來保證實驗的準確性，本

章簡單的介紹了一下差分吸收法和諧波檢測的數學理論基礎和給出了模型支持簡單的了

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單的檢測co2和co的基于LED光譜吸收的氣體傳感器，同時分析了其工作原理和工作模擬圖，通過比對不同氣體的吸收譜來選擇相應的波長闡述了具體的設計理念展示了相關數據。

第六章總結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。展望了未來光纖傳感器的發展和進步。

2 光纖氣體傳感器概論

2.1 光纖氣體傳感器的發展

由于氣體光譜的吸收氣體測量的技術，主要優勢就是鑒別氣體濃度以及測量的靈敏度比較高，所以在控制工業的氣體監測以及環境監測中有著重要作用。通常傳統吸收光譜的分析方法只可以對野外實地的采集樣本進行監測，再經實驗室的儀器實施精確光譜的分析。另外，傳統吸收光譜工作的時間比較長，儀器的精密性要求，所以對工作環境有著一定要求，所以導致實際應用受限，特別在工業氣體與環境監測控制的過程中，傳統分析方法無法與在線連續性的精準監測要求相符。而光纖傳的感技術在70年代的末期才逐漸出現在大家視野的一門高新技術。把石英光纖當作例子，于1.55波長附近，光纖的損耗能夠降低到每公里 0.2d B。換句話說，光纖氣體傳感器可以克服以往舊的傳感器無法對惡劣環境的情況（例如高溫環境、易爆高危高毒環境或高頻高磁場環境），工作人員可以通過相應的軟件程序進行遠距離操控。與傳統的電傳感器相比，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環境中進行作業。由于光纖有交寬頻帶，可以攜帶海量信息，經分波長、分時與分頻等多路服用的技術，可實現不同傳感器共用傳輸的光纖，一個探測器或是一個光源，一根光纖，就可以測量不同的化學參量，或用于多點或分布式測量，這樣可以大大降低整個系統的成本。[ii]

光纖傳感器主要優勢是結構比較簡單、靈敏度比較高、體積較小以及耐腐蝕等，也就因為這些優勢逐漸受到廣大科研人員的喜愛。在無數的智慧火花碰撞后衍生出了許多結合其他的高新領域和光纖的傳感技術的新技術，也就是氣體傳感的技術。到目前為止，光纖的傳感器在濃度、位移、加速度以及振動等物理量測量中有廣泛應用，其市場前景與潛力比較大[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性質、光學現象等測量中，下面我們將簡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

我們可以通過測量與之相對應熒的光輻射對氣體濃度進行檢測，熒光不僅可以由被物質的被測物質自身變化而來，而且可以由熒光染料和被測物化學反應而來。圖2-1呈現的是熒光物質經吸收特定的波長所得光照，當電子將能量吸收以后，就會轉變成受激的狀態，由低能態轉變成高能態；電子受光輻射的刺激以后，會出現熒光，并且此時熒光波長比應激波長大。通常在受激的狀態下，電子不會長時間停留，其壽命普遍在1-20ns之間。

圖2-1熒光產生機理

如果測量濃度將某種特定光照射吸收以后，不僅可以對熒光輻射強度進行改變，而且能引起壽命的變化。所以按照各種測量的方式以及傳感的機理，可以劃分成兩種，其一是對熒光輻射的壽命進行測量；其二是對熒光輻射的強度進行測量[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與激勵光波長不一樣，因為各種熒光材料中熒光輻射的波長不一樣，所以熒光傳感器在鑒別被測量物方面，準確性比較高[v]。就實際應用而言氣體傳感器，人們經常希望激勵波長和輻射波長可以有較遠的距離，以便經價格低廉波長的濾波器劃分傳感光和激勵光。都要去激勵波長處于近紅外區或是見光區，關于這段波的研究技術相對成熟，價格方面人們也比較容易接受。熒光傳感的原理主要就是對某固定的波長段熒光的強度進行測量，經過這個原理，能夠制作出熒光pH的傳感器，即通過實驗不斷改變濃度ph值的大小，使得熒光輻射的強度也不斷改變。熒光壽命的測量方法較為復雜，這里我們就暫且不去討論。熒光型傳感器具有極高的物質鑒別能力但其缺點就是其檢測信號極其微弱不易測量且設計檢測系統極其復雜，不利于實現工業化和商品化。

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的敏感性。例如：雜聚硅氧烷( HPS)材料能夠經溶膠凝膠(Sol-Gel)方式，將其涂抹于光纖的表面，并且設計涂層的折射率類似石英光纖的折射率。該材料與某種化學量發生作用后，會改變了折射率，這各類型HPS能夠對不同化學量進行測量。例如：glycidoxyl propyl siloxane折射率在碳氫化合物反應后，對于甲苯會有敏感性。并且折射率發生變化，會使得波導參數發生變化，例如：雙折射率、損耗與有效的折射率等，上述參數能夠采取千涉或是強度檢測方式進行測量。膜與氫氣相遇，就會出現膨脹，四氟乙烯、高分子膜與己烷、酒精燈相遇，同樣會膨脹。這些材料會在光纖的端部沉積，構成Fabry-Perot的干涉儀，而氣體所致薄膜膨脹可已經測量干涉儀的光強度輸出獲得。[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，但是因為各種因素導致相應波長的光源并不存在與現實生活中，基于這種情況應運而生的便是將染料指示劑當作中間產物，完成間接的傳感。一旦燃料和氣體產生化學的反應，本身光學的性質同樣會變化，經過對其中變化進行測量，可以獲取被測氣體信息[vii]。ph值的傳感器屬于較常見的一種，染料的指示劑，例如：石蕊試紙顏色會伴隨ph大小改變而發生變化。因此我們可以通過測量所對應的溶液ph值來測量部分氣體的濃度（如NH3.CO2等）。

2.2.4 光纖漸逝場氣體傳感器

光纖漸逝場氣體傳感器在現實生活是一類已經得到實現且具有廣大潛力前景的一類傳感器。企業已經能商業化出產著在波長3.39um處利用漸逝場原理的光纖傳感器。但是另一方面因為該類傳感器在該波長段處的光纖傳輸損耗極高運用效率極低，導致該類別傳感器的光路往往不能夠超過3米及以上標準。此類傳感器檢測的氣體濃度同時也將限制于百分之二量級上。漸逝場的傳感器并且容易發生表面污染的問題，即便經高分子的隔離膜能夠防止大型的污染物進入到漸逝場的區域，和氣體分子的體積接近的分子卻難以阻擋，這些污染物將會改變光纖表面的波導結構，從而改變其測量出的參數導致影響傳感器的靈敏度。如何降低表面污染對漸勢場型傳感器的影響是未來科研人員仍需要攻克的主要技術性難關。

漸勢場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，光纖作用就是當作傳輸的介質，只可以對光能量進行傳輸，所傳輸光能量能夠和待測氣體的樣本互相作用，產生各類信息，以便在某些區域檢測待測氣體的樣本[viii]。依據現有的情況數據分析，吸收式光纖氣體傳感器是在現有的科學技術手段支持下由理論走向造福社會的一類新型的傳感器。

吸收型的傳感器主要是經氣體測量石英光纖透射窗口(0.8-1.7um)吸收峰。通過氣體吸收產生的光強衰減程度來通過一定的數學公式運算對氣體濃度進行測定，主要是按照Lambert-Beer的定律計算。常見氣體(如CO2, C2H2, CH4, N02, C0)在紅外光譜范圍內都存在較強的吸收譜線，該紅外光譜波段對應接收器與氣體的發光器均是相對理想光電轉換的器件。經該方式能夠準確測量大部分氣體的濃度，不僅能保證產品質量安全，而且具有靈敏度高、高抗電磁干擾功能、響應速度比傳統傳感器快、成本價格低廉、運用對象廣泛、具有良好的兼容性特別是傳感頭不帶電、本質防爆的特點，在高危工業的檢測中應用前景較好，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

在光纖的系統中，主要是采取光纖和發光二極管最佳耦合高亮度，并且傳感器中明確要求部件達到最大利用率和安全保障率的同時，確保發射波長和光纖吸收的頻率創口一樣。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，在一定的范圍區間內光輸出就會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，會增加使用期，曲線也會越來月平穩。這種變化會影響到傳感器的系統，繼而使得測量數據間存在極大偏差。因此需要及時經熱反饋方式，對這些變化進行了解，本文經發射系統或是溫度的敏感電源中光電二極管進行監測。

圖2-3發光二極管的光/電流曲線

面發光二極管與光纖的藕合從結果上分析這是個低效率過程。為什么這么說呢？這是因為LED面發光管所產生的光功率會散漫的分布在一個極大的立體角內，能夠進入光纖部分的輸出光功率甚至不足百分之十，所以結合單模的光纖系統和發光二極管使用，沒有現實的意義。

邊發光放入二極管主要是經雙異質的結構發生輻射，引起局部內波導的效應，可以構成穩定定向紅外的光束，能夠對發射光方向性進行保證，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。所以對比了面發光二極管以及邊發光二極管得出，邊發光二級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的能力。

2.4 本章小結

本章主要介紹了氣體傳感器的發展歷程，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，展現了吸收型光纖傳感器在未來的前景。

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，經氣體分子吸收作用以及特定波長光原理，能夠對氣體濃度進行檢測，因為氣體分子中存在吸收光譜，如果穿過待測的氣體，并且氣體濃度不高，該氣體就會吸收特定波長的能量，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，因為氣體分子光譜線寬極比較窄，其譜寬主要是納米的量級，同時吸收的功勞不大，經測光照的強度增減，對氣體難度進行測量的難度比較大。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儀，經諧波檢測與差分吸收方式，對各種因素的干擾進行克服，有效檢測出微弱光電的信號。

3.2 氣體分子光譜理論

當電磁輻射與氣體分子相互作用時，能引起分子狀態由低能態過渡到高能態，發生所

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

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當中由于選擇的光源的波段主要是紅外光的波動，在紅外光譜區，分子振動和吸收等，都會在各能級間躍遷，能量躍遷能夠經量子力學的原理解釋，在能量的躍遷過程，氣體分子之中原子會不斷振動，并且分子振動過程，會發生自我的轉動。按照量子力學的原理可知，如果分子的能態改變，那么其都是按照特定規律進行變化，分子能級會呈現出規律化。若經低能量紅外光的輻射對分子進行照射，則分子能夠吸收相應于相鄰轉動能級之差的遠紅外輻射能量，由低能態躍遷到高能態，通常我們將這一現象稱為能級躍遷。

3.3 光譜吸收定律

當光源以平行光的形式通過待測氣 體時,如果光源的光譜覆蓋 1個或多個氣體的吸

收譜,那么部分光將被吸收，光通過氣體時將會發生強度衰減。未衰減的光將按原路徑繼

續傳播。根據朗伯比爾定律定律,出 射發光強度 I 與入射發光強度 I0 和氣體的體積分

數 之間的關系為

（3-3）

是氣體吸收系數,即氣體在頻率 v 處 的吸收線型; L 測量氣體作用在傳感器的長度單位為m; c 為氣體的濃 度，通過計算，上式可變形為：

（3-3.1）

通過上述公式我們可以知道，當氣體的吸收系數和作用長度已知，氣體的濃度可以通過投射光和入射光強來求出。

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:

1.氣體分子自然的線寬;

2.通過氣體分子自由運動所引發多普勒的效應，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因為激發態的分子自然壽命、躍遷時間受到影響，而寬度微小，通常可以忽略。

圖3-4氣體分子的典型吸收線

圖3-4中表示波長的吸收系數；表示對應的吸收峰；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，溫度因素對大局無影響可忽略。因此我們可以從上圖中得出結論：當外界壓力保持恒定時，待測氣體的譜線形狀和寬度可在理論認為其是保持穩定不變的。

3.5 光纖氣體傳感器耦合

3.5.1光源與探測器的耦合

理論上，光源發射光功率從多地匯入到傳輸的光纖，屬于光纖和光源耦合的問題。通常情況下，采取藕合效率對耦合程度進行表示，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敏感元件為氣室。穩定的氣室能幫我們只需簡單的更換光源就可以完成對不同氣體的濃度檢測。氣室組成部分包含輸出與輸入兩組透鏡。光纖射出光經輸入透鏡變成平行光，經氣室耦合至輸出的透鏡，下面給出了三類氣室設計的模型圖。

圖3-5氣室設計圖

上面三組設計圖分別是(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

本章主要介紹了氣體傳感器的特性概述，首先簡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題為下一章節介紹總體設計做好鋪墊。

4. 系統總體設計

4.1引言

在光纖氣體傳感系統當中，總是會存在很多影響測試結果的不利因素，比如光源光功

率的波動、氣室對光路的干擾、PIN管的噪聲等等，我們可以通過利用差分吸收檢測方法

和波長調制諧波檢測方法來減弱不利因素對結果的影響來保證測試的準確性

4.2諧波檢測原理

當電路上施加了正弦波的電壓時，所通過的電流將會變成非正弦波形式，非正弦波電流在電網阻抗上將會產生壓降，使得電壓波形也變為非正弦波形式。非正弦波可分解為傅里葉級數，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、電動機、整流器、電子用品等都會產生諧波。諧波檢測方法最開始提出來的時候是作為一種檢測微弱信號的方法。在電子光譜，聲光光譜以及Zeeman及Stark光譜的研究中均有涉及。諧波檢測的基本原理是把一個高頻調制過的信號(依賴于某頻率)氣體傳感器，使其“檢索”待測的特征信號[ix]。之后在信號處理過程中，通過調制頻率或調制頻率的倍頻以此依據來作為參考信號，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制信號產生的諧波信息。如果調制出來的諧波信號不滿足規律的數學關系比例就會導致出現極大的偏差。雖然存在一定的弊端，但是諧波檢測技術仍適用于上述各種光譜的微弱信號檢測。

圖4-2諧波檢測原理圖

在圖4-2 (a)中，發射器的波長被正弦信號的調制，輸出的光信號是含有一次和二次諧波的強度信號。如圖4-2（b）所示通過把發射器固定在光譜氣體吸收峰上，或者讓照射光掃過氣體的吸收譜，最后用鎖相放大器檢測二次諧波的最大值，就可測量氣體的濃度。

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; 是某波長下的單位濃度、單

位長度介質的吸收系數; 是米氏散射系數; 是瑞利散射系數；是表征氣

體密度波動造成的吸收和散射總的變化量;0是待測氣體與光相互作用的長度;c是

待測氣體的濃度。

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

同中心波長的干涉光柵濾光片就可以提取需要的波長和。為測量氣體的吸收譜線

中心波長，為偏離吸收譜線某一氣體的波長的吸收谷，通過上圖結構我們可以依次

實現差分吸收法。

4.4系統理論設計

圖4-4為本文設計的光纖氣體傳感系統結構，光源LED與傳輸光纖藕合進入氣室，再由氣室由藕合器通過光纖到達法布里-珀羅干涉腔。頻率調節后進入光檢測器PIN由光信號轉化為電信號。經電壓調制方式，繼而調控布里-珀羅干涉腔長，繼而有效控制光波長。經由電腦模擬軟件處理后，就可以檢測出待測氣體的濃度。

圖4-4光纖傳感器系統

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