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光纤传感的基本原理是:光源入射的光束经由光纤进入光纤传感器件,在传感器内与外界物质相互作用,该光束成为被待测物理参数调制的光信号, 使强度、波长、频率、相位、偏振态等光参量发生变化,光信号再由光纤进入光电器件,经解调器的解调后可获得被测参数。整个过程中,光纤及其传感器件起到信号传输和外界物理量感知的作用,是光纤传感的关键组成部分。不同于远距离传输的通信光纤,为了更敏锐地“感知”外界各种信息,通常需要对光纤的波导结构进行特殊的设计,并将其加工成各种高精度的光纤传感器件。
激光光谱技术基于原子或分子指纹特征光谱进行探测,具有选择性好、无需标记等优点。传统的光谱学气体传感器由分立的光学元件构成, 使用空间气室作为传感单元,其体积较大,对准比较困难。微纳结构光纤柔性好,可实现光与气体在光纤中的长距离相互作用并保持紧凑的气室结 构。微纳结构光纤对光场的束缚强,模场尺寸小, 能量密度高,和样品重叠度高,可增强光与气体的非线性作用,提高检测灵敏度。使用微纳光纤自身作为气室传感单元,简化了光路之间的对准和链接,有助于推动光谱学测量技术向实用化方向发展,便于实现远程探测。利用微纳光纤本身的光学模式、声学模式及热传导等特性,可以实现新型高灵敏的气体传感器。
工作原理
光和气体在纤芯内部或表面附近相互作用,改变了光的强度和相位,产生热量、声波或新的光波长等,通过探测这些变化可以得到气体的种类和含量。对于在工作波段吸收较强的气体,可以直接探测其光谱损耗或色散,或者可基于光热、光声效应测量气体吸收泵浦光后引起的探测光的相位变化。对于吸收较弱或没有吸收但具有拉曼活性的气体,可以探测其拉曼光谱、受激拉曼增益或色散。传感光纤可以是空芯光子带隙光纤、空芯反谐振光纤或微纳芯光纤。根据测量需要,工作波长可选择紫外、可见光或红外波段。
技术发展
首次应用微纳结构光纤进行气体测量的报道可以追溯到2001年。最早研究中用的是实芯微结构光纤,之后是空芯光纤。二十年来,研究人员在光纤气室的设计和制作、响应速度的提高、新型检测方法、噪声抑制、灵敏度的提高、动态范围的增大、系统稳定性的提高及实用化方面取得了令人瞩目的进展。
需求现状
航天、航海、能源、食品卫生、环境保护等领域的发展,对气体探测的能力提出了愈来愈高的要求。在空间和海洋探索中,密封舱内工作人员的数量和工作时间不断增加,人员新陈代谢、设备运行和材料释放等因素使狭小空间内空气质量变差。有效监测舱内空气中的痕量气体物质,对于维持健康的空气环境,探测泄漏、过热故障征兆等具有重要意义。在医学领域,呼吸检测是近年来研究的一个热点。呼出气体中包含的痕量气体成分能反映人体特定的生理状况,为一些重大疾病的早期无创诊疗提供了新的方法。在能源工业领域,高精度的气体检测在大型关键设备诊断、燃烧产物分析、炼化过程监测等方面有重要应用。目前常用的气体检测技术包括气相色谱/质谱分析, 电化学、光离子化探测等,在测量精度、动态范围、气体种类、成本、体积、在线或远程测量等方面难以满足日益增长的需求。
挑战性的问题与难点
在实验室条件下,微纳结构光纤气体传感器已经实现了对多种气体(如甲烷、乙烷、乙炔、氨气、一氧化碳、二氧化碳等)的测量。面向不同领域的实际应用,需要解决如下主要问题:
1)、探头技术。优化微纳结构光纤的模式和偏振特性以提升气室的光学稳定性,采用合适的防水、防污、防震包装以适应不同的应用环境。
2)、光学解调技术。光学干涉相位检测系统需具有高灵敏、大动态范围、稳定、小型化和低成本的特点。
3)、光源技术。不同波段,尤其是红外波段的低成本、可调谐、窄线宽激光器是高灵敏多组分气体测量的关键器件。
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