第一篇：氣體傳感器發展方向的深度分析.

氣體傳感器發展方向的深度分析

近年來，由于在工業生產、家庭安全、環境監測和醫療等領域對氣體傳感器的精度、性能、穩定性方面的要求越來越高，因此對氣體傳感器的研究和開發也越來越重要。隨著先進科學技術的應用，氣體傳感器發展的趨勢是微型化、智能化和多功能化。深入研究和掌握有機、無機、生物和各種材料的特性及相互作用，理解各類氣體傳感器的工作原理和作用機理，正確選擇各類傳感器的敏感材料，靈活運用微機械加工技術、敏感薄膜形成技術、微電子技術、光纖技術等，使傳感器性能最優化是氣體傳感器的發展方向。

新氣敏材料與制作工藝的研究開發

對氣體傳感器材料的研究表明，金屬氧化物半導體材料Zn0，SIlo2，Fe203等己趨于成熟化，特別是在C比，C2H5OH，CO等氣體檢測方面。現在這方面的工作主要有兩個方向：一是利用化學修飾改性方法，對現有氣體敏感膜材料進行摻雜、改性和表面修飾等處理，并對成膜工藝進行改進和優化，提高氣體傳感器的穩定性和選擇性；二是研制開發新的氣體敏感膜材料，如復合型和混合型半導體氣敏材料、高分子氣敏材料，使得這些新材料對不同氣體具有高靈敏度、高選擇性、高穩定性。由于有機高分子敏感材料具有材料豐富、成本低、制膜工藝簡單、易于與其它技術兼容、在常溫下工作等優點，已成為研究的熱點。

新型氣體傳感器的研制

用傳統的作用原理和某些新效應，優先使用晶體材料(硅、石英、陶瓷等)，采用先進的加工技術和微結構設計，研制新型傳感器及傳感器系統，如光波導氣體傳感器、高分子聲表面波和石英諧振式氣體傳感器的開發與使用，微生物氣體傳感器和仿生氣體傳感器的研究。隨著新材料、新工藝和新技術的應用，氣體傳感器的性能更趨完善，使傳感器的小型化、微型化和多功能化具有長期穩定性好、使用方便、價格低廉等優點。

氣體傳感器智能化

隨著人們生活水平的不斷提高和對環保的日益重視，對各種有毒、有害氣體的探測，對大氣污染、工業廢氣的監測以及對食品和居住環境質量的檢測都對氣體傳感器提出了更高的要求。納米、薄膜技術等新材料研制技術的成功應用為氣體傳感器集成化和智能化提供了很好的前提條件。氣體傳感器將在充分利用微機械與微電子技術、計算機技術、信號處理技術、傳感技術、故障診斷技術、智能技術等多學科綜合技術的基礎上得到發展。研制能夠同時監測多種氣體的全自動數字式的智能氣體傳感器將是該領域的重要研究方向。

第二篇：氣體傳感器的發展

一、著重于新氣敏材料與制作工藝的研究開發

對氣體傳感器材料的研究表明，金屬氧化物半導體材料Zn0，SIlo2，Fe203等己趨于成熟化，特別是在C比，C2H5OH，CO等氣體檢測方面。這方面的工作主要有兩個方向：

1、是利用化學修飾改性方法，對現有氣體敏感膜材料進行摻雜、改性和表面修飾等處理，并對成膜工藝進行改進和優化，提高氣體傳感器的穩定性和選擇性;

2、是研制開發新的氣體敏感膜材料，如復合型和混合型半導體氣敏材料、高分子氣敏材料，使得這些新材料對不同氣體具有高靈敏度、高選擇性、高穩 定性。由于有機高分子敏感材料具有材料豐富、成本低、制膜工藝簡單、易于與其它技術兼容、在常溫下工作等優點，已成為研究的熱點。

二、新型氣體傳感器的研制

用傳統的作用原理和某些新效應，優先使用晶體材料（硅、石英、陶瓷等），采用先進的加工技術和微結構設計，研制新型傳感器及傳感器系統，如光波 導氣體傳感器、高分子聲表面波和石英諧振式氣體傳感器的開發與使用，微生物氣體傳感器和仿生氣體傳感器的研究。隨著新材料、新工藝和新技術的應用，氣體傳 感器的性能更趨完善，使傳感器的小型化、微型化和多功能化具有長期穩定性好、使用方便、價格低廉等優點。

三、氣體傳感器智能化

隨著人們生活水平的不斷提高和對環保的日益重視，對各種有毒、有害氣體的探測，對大氣污染、工業廢氣的監測以及對食品和居住環境質量的檢測都對 氣體傳感器提出了更高的要求。納米、薄膜技術等新材料研制技術的成功應用為氣體傳感器集成化和智能化提供了很好的前提條件。氣體傳感器將在充分利用微機械 與微電子技術、計算機技術、信號處理技術、傳感技術、故障診斷技術、智能技術等多學科綜合技術的基礎上得到發展。研制能夠同時監測多種氣體的全自動數字式 的智能氣體傳感器將是該領域的重要研究方向。

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第三篇：光纖氣體傳感器總結

光纖氣體傳感器調研總結

光纖氣體檢測綜述

1.1國內外光纖氣體檢測技術的發展

氣體傳感器是一種把氣體中的特定成分檢測出來, 并轉換成電信號的器件, 人們很早就開始了氣體傳感器的研究, 將其用來對有毒、有害氣體的探測, 對易爆、易燃氣體的安全報警。對人類生產生活中所需了解的氣體進行檢測、分析研究等, 使得它在工業生產和日常生活中起到耳目的作用。

光纖傳感技術是一項正在發展中的具有廣闊前景的新型高技術。由于光纖本身在傳遞信息過程中具有許多特有的性質, 如光纖傳輸信息時能量損耗很小, 給遠距離遙測帶來很大方便。光纖材料性能穩定, 不受電磁場干擾, 在高溫、高壓、低溫、強腐蝕等惡劣環境下保持不變所以光纖傳感器從問世到如今, 一直都在飛速發展[1]。

世界上已有多種光纖傳感器，諸如位移、速度、加速度、壓力、流量等物理量都實現了不同性能的光纖傳感。光纖氣體傳感技術是光纖傳感技術的一個重要應用分支，主要基于氣體的物理或化學性質相關的光學現象或特性。近年來，它在環境監測、電力系統以及油田、礦井、輻射區的安全保護等方面的應用顯示出其獨特的優越性[2]。

1989年，西安應用光學研究所的郭栓運對光纖氣體傳感器展開研究，在應用光學雜志上介紹了差分光譜吸收的基本原理，給出了實驗框圖和應用實例[15]。

1992年，中國礦業大學的王耀才等在光纖通信技術雜志上介紹了吸收型光纖瓦斯傳感技術和干涉型瓦斯傳感器的原理，并對其在煤礦重的應用前景做了探討[16]。

1997年，山東礦業學院的曹永茂等人針對光纖瓦斯傳感器光波波長的選擇展開討論，提出根據傳感器技術指標來確定光纖瓦斯傳感器的基本參數，并建立了相應的數學模型[17]。

1999年，大連理工大學劉文琦等人報道了一種新型透射式光纖甲烷傳感器，用1.31μｍ InGaAsP型LED做光源測量甲烷濃度，通過研究制備一種納米級多透射膜，增強了甲烷氣體對激光的光譜吸收[18]。同年，香港理工大學,靳偉應用調制光盤技術對DFB激光器驚醒調制，研究光纖氣體傳感器的分時多路復用（TDM）技術。靳偉建立了計算仿真模型，仿真結果表明由20個甲烷氣體傳感器組成的光纖氣體傳感器陣列的檢測靈敏度可以達到2000ppm[19-20]。之后靳偉博士與清華大學喻洪波合作，實現了連續波調頻技術復用的光纖氣體多點傳感系統[21]。

2000年，浙江大學葉險峰等在對CH4分子近紅外洗后光譜分析比較的基礎上考慮與光纖的低損耗窗口相一致以及價格等因素，采用價廉的1.3μｍ波段的LED作為光源，實現了對甲烷氣體的檢測，檢測靈敏度為1300ppm/m[6]。

2001年，燕山大學王玉田等根據甲烷氣體的吸收光譜，研究了一種利用價格低廉的LED作為光源的新型投射式光纖甲烷氣體傳感器，選擇兩種同型號的LED光源作為差分吸收信號，光源驅動器自動實行交替斬波[7]。為了保證系統對甲烷氣體檢測的精度，采取了兩項措施，一是設置了參考通道，二是采用了光源反饋通道以增強LED光源的穩定性[8]。

2005年，張愛軍[3]對光譜吸收型光纖氣體進行了研究。每一種氣體都有固有的吸收譜，當光源的發射光波與氣體的洗后光波長相吻合時，就會放生共振洗后，其洗后強度與該氣體的濃度有關，通過測量光的吸收強度就可測量氣體的濃度。以甲烷氣體為例，通過實驗研究，分析了吸收路徑長度對傳感器靈敏度的影響，增加吸收路徑的長度，有利于提高傳感器的靈敏度。氣體體濃度較小時，通過增加吸收路徑的長度來提高傳感器的靈敏度效果明顯。

2006年，中國科學院安徽光機所的闞瑞峰等可調諧二極管激光吸收光譜與多次反射池相結合，研制了用于地面環境空氣中甲烷含量檢測的便攜式吸收光譜儀，并利用不同體積分數的甲烷氣體對系統進行了測試，取得了很好的測試結果[9]。王曉梅等分析了TDLAS諧波信號的特征，建立了諧波信號的數學模型，利用較高濃度氣體的二次諧波信號作為曲線，對待測氣體的諧波信號進行線性回歸[10]。

2007年，燕山大學王艷菊等采用雙光路、雙波長來解決光源功率波動、光纖損耗等問題，在接受端采用旋轉雙色濾光器和單探測器消除了雙光電器件的飄逸對測量結果的影響[11]。同年，中國科學院安徽光機所的陳玖等應用自平衡測量方法，消除了激光的共模噪聲和其他同性干擾的影響，該方法不用加信號調制和所想放大器，減小了系統裝置的體積，易于集成便攜式痕量氣體檢測儀[12]。

2008年，褚衍平等通過光纖光柵和壓電陶瓷對快帶光源LED進行調制，獲得了與氣體吸收峰對應的窄帶反射出射光，檢測二次諧波實現氣體濃度的高靈敏測量，利用測量氣室和參考氣室的二次諧波比值來消除吸收系數隨環境的變化、光源光功率的波動和光路干擾對測量精度的影響[13]。

2009年，華南理工大學肖兵等基于自平衡激光接收器和數字鎖定放大器構造了TDLAS汽車尾氣動態濃度測量系統，自平衡激光接收器通過引入一個低頻反饋回路去維持吸收信號和參考信號的自動平衡，數字鎖定放大器由DSP芯片實現相關檢測算法，提高了系統的測量靈敏度[14]。

2010年，南京航空航天大學齊潔提出了基于光源掃描的光纖氣體傳感器系統設計方案，設計了一種新的基于查分吸收院里的氣體傳感系統，能對單一氣體記性對波段測定檢測，同時可以完成多種氣體共存環境的檢測。提出了一種基于最小二乘的背景噪聲消除方法。利用傳感氣室的輸入和輸出的擬合曲線相除的方法，實現了傳感器輸出的歸一化，解決了傳感器背景噪聲漂移的問題，同時解決了濃度對氣體吸收譜擬合線的影響，提高了測量精度[4]。

2012年，張可可[5]以比爾-郎伯定律為理論基礎，研究利用光譜吸收法測量氣體的濃度，根據HIRAN數據庫，選擇近紅外區甲烷2v3帶R3支的三條氣體吸收線記性研究，并確定吸收譜線的相關參數。研究波長調制光譜與諧波檢測理論，利用傅立葉級數展開模型和泰勒級數展開模型分析各次諧波信號，在頻率調制信號模型的基礎上，采用頻率-強度調制信號模型研究強度調制對各次諧波信號的影響。研究高斯線型和洛倫茲線型的各次諧波型號余波長調制系數的關系，確定各次諧波最佳的波長調制系數。對激光在光路中多次反射形成的標準具曉瑩展開研究，為標準具噪聲的抑制提供理論依據。

專利方面，國內發明專利《D形光纖消逝場化學傳感器》，發明提出一種用于醫療、環境監控、食品安全等檢測量的D形光纖消逝場化學傳感器。《光纖生物傳感器》這是一種光纖生物傳感器，用于測定環境中微生物的種類、含量等。《光纖液位傳感器》，一種光纖液位傳感器，包括有光源，探測器和傳感頭。《帶有光纖氣體傳感器的傳感系統》 專利號：CN101545860 發明人：夏華;J·S·戈德米爾;K·T·麥卡錫;A·庫馬;R·安尼格里;E·伊爾梅茨;A·V·塔瓦爾;Y·趙。這是一種包括光纖芯(32)的光纖氣體傳感器(20),該傳感器具有 位于光纖芯周圍的具有不同調幅輪廓的第一和第二折射率周期調制光 柵結構（36、38)。光纖包層(40)位于所述第一和第二折射率周期 調制光柵結構周圍。敏感層(42)位于所述折射率周期調制光柵結構 的其中一個的光纖包層周圍。該敏感層包括由Pd基合金制成的敏感材 料,該Pd基合金例如是納米PdOx、納米Pd(x)Au(y)Ni(1-x-y)或納米 Pd/Au/WOx。光纖氣體傳感器提供對來自燃燒環境的局部溫度校正氣 體濃度和成分的測量。本發明也描述了具有一個或多個光纖氣體傳感 器的陣列的基于反射或基于透射的傳感系統。《一種光纖氣體傳感器》 專利號：CN101059443 發明人：侯長軍;霍丹群;張紅英;廖海洋;鄭小林;侯文生;楊軍;皮喜田。這是一種光纖氣體傳感器,涉及檢測光氣及揮發性有機氣體的光纖氣體傳感器。本發明傳感器 主要包括入射光線和出射光纖、反應池及金屬卟啉溶液等。由于本發明傳感器具有操作簡單、成本低廉；能使待測氣體與金屬卟啉溶液敏感物質充分反應,顯著提高檢測的靈敏度；同一 反應池能對多種目標氣體同時進行有效檢測；從反應池的加料口加入不同的金屬卟啉溶液, 就能對不同的目標氣體進行有效檢測,檢測范圍廣等特點,故本發明傳感器可廣泛應用于廠 房裝修、室內裝修、工業生產及精細化工等行業中檢測光氣及揮發性有機物氣體,有利于環 境保護和人們的身心健康。SENSING SYSTEM WITH OPTICAL FIBER GAS SENSOR，專利號：JP2009244262發明人：XIA HUA;GOLDMEER JEFFREY SCOTT;MCCARTHY KEVIN THOMAS;KUMAR ADITYA;ANNIGERI RAVINDRA;YILMAZ ERTAN;TAWARE AVINASH VINAYAK;ZHAO YU。這個專利發明了一種傳感系統以及傳感器。傳感系統包括一組不同類別的光纖氣體傳感器，這些傳感器通過溫度修正測量氣體濃度。光纖氣體傳感器包括光纖芯，第一和第二折射率周期性調制光柵結在光纖芯里有不同的振幅調制方法。光纖包層包裹著第一和第二折射率周期性調制光纖結構。傳感層位于光纖包層結構中。傳感層包括一個由Pb合金傳感材料，如納米級氧化鉑等。光纖氣體傳感器是在燃燒環境中通過溫度修正測量氣體濃度。

1.2光纖氣體傳感器分類

（1）光譜吸收型光纖氣體傳感器 光譜法通過檢測樣氣透射光強或反射光強的變化來檢測氣體濃度。每種氣體分子都有自己的吸收譜特征，光源的發射譜只有在與氣體吸收譜重疊的部分才產生吸收，吸收后的光強發生變化。根據比爾-朗伯定律，當波長為λ 的單色光在充有待測氣體的氣室中

傳播距離為L 后，其吸收后的光強為：

I(λ)=I0(λ)exp(-αλCL)（1）

式（1）中，I0(λ)為波長為λ 的單色光透過不含待測氣體的氣室時的光強；C 為吸收氣體的濃度；αλ為光通過介質的吸收系數。整理即：

I0)IC???L

（2）

ln(通過檢測通氣前后光強的變化，就可以測出待測氣體的濃度。利用介質對光吸收而使光產生衰減這一特性制成吸收型光纖氣體傳感器原理如圖1 所示。光源發出的光，由光纖送入氣室，被氣體吸收后，由出射光纖傳至光電探測器，得到的信號光送入計算機進行信號處理，可得出氣體濃度。

圖1 光纖氣體傳感器原理框圖

（2）漸逝場型光纖氣體傳感器

漸逝場型光纖傳感器是利用光纖界面附近的漸逝場被氣體吸收峰衰減來測量氣體濃度的方法，是一種功能性光纖傳感器，從本質上說，可以認為是一種特殊的光纖光譜吸收型傳感器。（3）熒光型光纖氣體傳感器

這是一種通過測量與氣體相應的熒光輻射來確定其濃度的光纖氣體傳感器。熒光可以由被測氣體本身產生也可以由其相互作用的熒光染料產生。熒光物質受吸收光譜中特定波長的光照射時，被測氣體的濃度既可以改變熒光輻射的強度，也可以改變其壽命。和吸收型光纖氣體傳感器相比，熒光行傳感器使用波長（熒光波長）不同于激勵波長。由于不同的熒光材料通常具有不同的熒光波長，因此熒光傳感器對被測量的鑒別性好。實際上希望輻射波長和激勵波長離開的越遠越好，在輸出端可用廉價的波長濾波器將激勵光和傳感光分開。通常激勵波長在可見光或紅外區，這一波段上光源技術成熟，幾個也比較低廉。（4）燃料指示劑型光纖氣體傳感器

一些氣體在石英光纖低耗窗口內沒有較強的吸收峰，或者雖有吸收峰但相應波長的光源或檢測器不存在或太昂貴，解決這些問題的方法之一是應用燃料指示劑作為中間物來實現間接傳感。燃料與被測氣體發生化學反應，使得燃料的光學性質發生變化，利用光纖傳感器測量這種變化，就可以得到被測氣體的濃度信息。最常見的燃料指示劑光纖氣體傳感器是pH值傳感器，一些燃料指示劑的顏色會隨著pH值得變化而變化，引起對光的吸收的變化。通過測量某些氣體濃度變化帶來的pH值變化，分析氣體濃度信息。

圖 2 1.3 光纖氣體傳感器的特點

由于光纖本身傳輸損耗和微型結構，光纖氣敏傳感器存在兩個基本限制：一是光線的低損耗傳輸窗口的限制，石英光纖只在1.1~1.7um的近紅外區有低損耗和低散射。若在中、遠紅外區進行探測會造成光信號較大的衰弱，致使光通過待測氣體后的變化與氣體的檢測參數不成特定的關系。而多數氣體在中、遠紅外光譜區存在較強的吸收光譜。另一限制是光纖本身的微型結構使得光纖只有較小的數值孔徑，光耦合難以很高。但在短距離傳輸檢測中，采用數值孔徑較大的塑料光纖可提高光耦合，又不會產生較大的傳輸損耗。

盡管光纖氣體傳感純在限制，但光纖氣體傳感器較傳統的氣體傳感器仍具有很多優點：

（1）光纖氣體傳感器本質安全、抗電磁干擾、絕緣性能好，且耐高溫、耐高壓、防腐蝕、阻燃防爆，適用于遠距離遙測和某些特殊環境的分析；（2）光纖傳輸損耗低，信息容量大，直徑細，重量輕，光纖及探頭均可微型化；

（3）測量范圍寬，精度高，工作穩定，壽命長，成本低，可同時進行多參數或連續多點檢測疑惑的大量信息；

（4）系統匹配性能好，容易實現檢測及反饋控制的數字化、自動化和一體化；

（5）光纖探頭對被測量場的影響小，靈敏度高，動態范圍大，響應速度快；（6）光纖的生物兼容性好，加之良好的柔韌性和不帶點的安全性，使之尤其適應于生物和臨床醫學上的實時、體內檢測；

（7）在大多數情況先，光纖氣體傳感器不改變樣品的組成，是非破壞性分析。

由于光纖氣體闖愛情具有上述有點，尤其他的本質安全、抗電磁干擾的特點，是其他氣體傳感器無法比擬的。這使它可以安全方便地用于易燃易爆、強電磁干擾或其他惡劣環境中氣體的檢測。

產品調研

1、北京品傲光電科技有限公司 光纖傳感器性能指標如圖3：

圖 3 系統設備及參數如圖4：

圖 4 光纖氣體傳感器課探測氣體如圖5：

圖 5 產品實例圖：

10,000 ppm= 1％ v / v（體積之比）價格：

35萬左右。基恩士（香港）有限公司

目前產品只能測氣體的有無，但工作溫度能到達300度

2、深圳富凱士公司

只能測單一氣體的話是有成品，但是要將混合氣體的成分區分開來的話，我們還在實驗室階段，暫時沒有成品提供。

3、北京蔚藍仕沒有相關光纖氣體傳感器。

瀏覽多家國外知名氣體傳感器廠家中國區主頁，如英國City Technology；日本費加羅，歐姆龍（只能測物體數量）Nemoto；美國飛思卡爾，歐米伽；德國SENSOR等。未發現相關光纖氣體傳感器的產品。

長春光機所：期刊論文《用于石油測井和管道運輸的分布式光纖傳感技術》，闡述了我國分布式壓力，溫度光纖傳感器在石油化工方面的應用情況。

發明專利《D形光纖消逝場化學傳感器》，發明提出一種用于醫療、環境監控、食品安全等檢測量的D形光纖消逝場化學傳感器。《光纖生物傳感器》，這是一種光纖生物傳感器，用于測定環境中微生物的種類、含量等。《光纖液位傳感器》，一種光纖液位傳感器，包括有光源，探測器和傳感頭。安徽光機所： 王曉梅等《基于可調諧二極管激光吸收光譜的高精度痕量氣體濃度定量方法》，分析了TDLAS諧波信號的特征，建立了諧波信號的數學模型，利用較高濃度氣體的二次諧波信號作為曲線，對待測氣體的諧波信號進行線性回歸。

參考文獻

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第四篇：24 傳感器技術的發展方向

?全球范圍內大概有兩萬多種傳感器，在現代這種高科技的發展需求，新型傳感器層出不窮，不斷的適應形勢的發展，不斷的豐富傳感器家族。下面是詳

細的傳感器技術的發展方向：

1、發現新現象，開發新材料——新現象、新原理、新材料是發展傳感器技術，研究新型傳感器的重要基礎，每一種新原理、新材料的發現都會伴隨著新的傳感器種類誕生。比如說，在常溫狀態下，傳輸速度比任何半導體都快的碳化硅。

2、集成化，多功能化——向敏感功能裝置發展傳感器的集成化，最近積極地應用了半導體集成電路技術及其開發思想用于傳感器制造。如采用微細加工技術MEMS制作微型傳感器；采用厚膜和薄膜技術制作傳感器等。

3、向未開發的領域挑戰——生物傳感器到目前為止，正大力研究。開發的傳感器大多為物理傳感器，今后應積極開發研究化學傳感器和生物傳感器。特別是智能機器人技術的發展，需要研制各種模擬人的感覺器官的傳感器，如已有的機器人力覺、觸覺傳感器、味覺傳感器等。

4、智能傳感器——具有判斷能力、學習能力的傳感器。事實上是一種帶微處理器的傳感器，它具有檢測、判斷和信息處理功能。

第五篇：氣體流量傳感器的工作原理

氣體流量傳感器的工作原理

氣體流量傳感器按國際標準化組織IS07145(在環形截面封閉管道中的流體流量測定—在截面一點的速度測量法)，采用埋入壓電晶體的渦街測速探頭，流量傳感器插入大口徑工業管道內，將卡門旋渦頻率轉換為與流量成正比的電流或電壓脈沖信號或4～20mADC電流信號。

氣體流量傳感器LUCB型插入式渦街流量計按國際標準化組織IS07145(在環形截面封閉管道中的流體流量測定—在截面一點的速度測量法)，氣體流量傳感器采用埋入壓電晶體的渦街測速探頭，插入大口徑工業管道內，將卡門旋渦頻率轉換為與流量成正比的電流或電壓脈沖信號或4～20毫安電流信號。