光纤气体检测综述
1.1 国内外光纤气体检测技术的发展
气体传感器是一种把气体中的特定成分检测出来 , 并转换成电信号的器件 ,
人们很早就开始了气体传感器的研究 , 将其用来对有毒、有害气体的探测 , 对易
爆、易燃气体的安全报警。 对人类生产生活中所需了解的气体进行检测、 分析研
究等 , 使得它在工业生产和日常生活中起到耳目的作用。
光纤传感技术是一项正在发展中的具有广阔前景的新型高技术。 由于光纤本身在传递信息过程中具有许多特有的性质 , 如光纤传输信息时能量损耗很小 , 给远距离遥测带来很大方便。 光纤材料性能稳定 , 不受电磁场干扰 , 在高温、高压、低温、强腐蚀等恶劣环境下保持不变所以光纤传感器从问世到如今 , 一直都在飞速发展 [1] 。
世界上已有多种光纤传感器，诸如位移、速度、加速度、压力、流量等物理
量都实现了不同性能的光纤传感。 光纤气体传感技术是光纤传感技术的一个重要
应用分支，主要基于气体的物理或化学性质相关的光学现象或特性。 近年来，它
在环境监测、 电力系统以及油田、 矿井、辐射区的安全保护等方面的应用显示出其独特的优越性 [2] 。
1989 年，西安应用光学研究所的郭栓运对光纤气体传感器展开研究，在应
用光学杂志上介绍了差分光谱吸收的基本原理，给出了实验框图和应用实例 [15]。 1992 年，中国矿业大学的王耀才等在光纤通信技术杂志上介绍了吸收型光纤瓦斯传感技术和干涉型瓦斯传感器的原理， 并对其在煤矿重的应用前景做了探
讨[16]。
1997 年，山东矿业学院的曹永茂等人针对光纤瓦斯传感器光波波长的选择
展开讨论，提出根据传感器技术指标来确定光纤瓦斯传感器的基本参数， 并建立了相应的数
学模型 [17]。
1999 年，大连理工大学刘文琦等人报道了一种新型透射式光纤甲烷传感器，
用1.31μ ｍ InGaAsP 型 LED 做光源测量甲烷浓度，通过研究制备一种纳米级多透射膜，增强了甲烷气体对激光的光谱吸收 [18] 。同年，香港理工大学 , 靳伟应用
调制光盘技术对 DFB 激光器惊醒调制，研究光纤气体传感器的分时多路复用
（ TDM）技术。靳伟建立了计算仿真模型， 仿真结果表明由 20 个甲烷气体传感器
[19-20]
组成的光纤气体传感器阵列的检测灵敏度可以达到 2000ppm 。之后靳伟博士
与清华大学喻洪波合作，实现了连续波调频技术复用的光纤气体多点传感系统
[21]。
2000 年，浙江大学叶险峰等在对 CH4 分子近红外洗后光谱分析比较的基础
上考虑与光纤的低损耗窗口相一致以及价格等因素，采用价廉的 1.3μｍ波段的
LED作为光源，实现了对甲烷气体的检测，检测灵敏度为 | [6] | 。 |
1300ppm/m |
| | |
2001 年，燕山大学王玉田等根据甲烷气体的吸收光谱，研究了一种利用价
格低廉的 LED 作为光源的新型投射式光纤甲烷气体传感器，选择两种同型号的LED光源作为差分吸收信号，光源驱动器自动实行交替斩波 [7] 。为了保证系统对
甲烷气体检测的精度， 采取了两项措施， 一是设置了参考通道， 二是采用了光源
反馈通道以增强 LED光源的稳定性 [8] 。
2005 年，张爱军 [3] 对光谱吸收型光纤气体进行了研究。 每一种气体都有固有的吸收谱，当光源的发射光波与气体的洗后光波长相吻合时， 就会放生共振洗后，其洗后强度与该气体
的浓度有关，通过测量光的吸收强度就可测量气体的浓度。以甲烷气体为例，通过实验研究，分析了吸收路径长度对传感器灵敏度的影响，
增加吸收路径的长度， 有利于提高传感器的灵敏度。 气体体浓度较小时， 通过增加吸收路径的长度来提高传感器的灵敏度效果明显。
2006 年，中国科学院安徽光机所的阚瑞峰等可调谐二极管激光吸收光谱与多次反射池相结合， 研制了用于地面环境空气中甲烷含量检测的便携式吸收光谱仪，并利用不同体积分数的甲烷气体对系统进行了测试， 取得了很好的测试结果 [9] 。王晓梅等分析了 TDLAS 谐波信号的特征，建立了谐波信号的数学模型，利用较高浓度气体的二次谐波信号作为曲线， 对待测气体的谐波信号进行线性回归
[10]。
2007 年，燕山大学王艳菊等采用双光路、双波长来解决光源功率波动、光纤损耗等问题，在接受端采用旋转双滤光器和单探测器消除了双光电器件的飘逸对测量结果的影响 [11]。同年，中国科学院安徽光机所的陈玖等应用自平衡测量
方法，消除了激光的共模噪声和其他同性干扰的影响， 该方法不用加信号调制和
所想放大器，减小了系统装置的体积，易于集成便携式痕量气体检测仪 [12]。
2008 年，褚衍平等通过光纤光栅和压电陶瓷对快带光源 LED 进行调制，获
得了与气体吸收峰对应的窄带反射出射光， 检测二次谐波实现气体浓度的高灵敏
测量，利用测量气室和参考气室的二次谐波比值来消除吸收系数随环境的变化、光源光功率的波动和光路干扰对测量精度的影响 [13]。
2009 年，华南理工大学肖兵等基于自平衡激光接收器和数字锁定放大器构
造了 TDLAS 汽车尾气动态浓度测量系统，自平衡激光接收器通过引入一个低频
反馈回路去维持吸收信号和参考信号的自动平衡，数字锁定放大器由 DSP 芯片
实现相关检测算法，提高了系统的测量灵敏度 [14]。
2010 年，南京航空航天大学齐洁提出了基于光源扫描的光纤气体传感器系
统设计方案，设计了一种新的基于查分吸收院里的气体传感系统， 能对单一气体
记性对波段测定检测， 同时可以完成多种气体共存环境的检测。 提出了一种基于
最小二乘的背景噪声消除方法。 利用传感气室的输入和输出的拟合曲线相除的方
法，实现了传感器输出的归一化， 解决了传感器背景噪声漂移的问题， 同时解决
了浓度对气体吸收谱拟合线的影响，提高了测量精度 [4] 。
2012 年，张可可 [5] 以比尔 -郎伯定律为理论基础，研究利用光谱吸收法测量
气体的浓度，根据 HIRAN 数据库，选择近红外区甲烷 2v3 带 R3 支的三条气体吸收线记性研究，并确定吸收谱线的相关参数。 研究波长调制光谱与谐波检测理论，利用傅立叶级数展开模型和泰勒级数展开模型分析各次谐波信号， 在频率调制信
号模型的基础上，采用频率 -强度调制信号模型研究强度调制对各次谐波信号的
影响。研究高斯线型和洛伦兹线型的各次谐波型号余波长调制系数的关系， 确定
各次谐波最佳的波长调制系数。 对激光在光路中多次反射形成的标准具晓莹展开研究，为标准具噪声的抑制提供理论依据。
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