吸收型的气体传感器的一大优点是采用简单可靠的气体吸收盒作为气体传感单元。采用小型渐变折射率透镜, 可以设计衰减小(小于1dB), 稳定性好的气体吸收盒。而且只需要调换光源, 对准另外的吸收谱线, 可以用同样的系统来检测不同的气体。1997 年M .A .Mo rante 和G .Stewart 提出了一种改进型的光纤气体吸收盒。将原来的准直型的渐变折射率透镜改变为汇聚型, 这样, 发散的反射光不能够返回光路, 大大减少了相干噪声, 信号的信噪比也因此提高了5 倍。
对于工程化的应用, 如何保护在工业环境下气体吸收盒中光学元件的清洁是一个难题。国外已有利用特殊的高分子薄膜(分子筛)保护光纤气体吸收盒的专利技术。它可以使气体分子进入而将一些别的大分子污染物排除在外。研究开发具有我国自主知识产权的气体盒保护技术将是光纤气体传感技术实用化的关键技术之一。
早期的气体传感研究采用宽带光源配合光学滤波器得到窄带匹配光源, 测量精度不高。其后可调谐的半导体激光器被广泛应用于气体传感, 测量精度得到极大的提高, 但是过高的成本始终困扰着它的实用化。光纤激光器开始被用于气体传感。它的波长调节范围非常宽, 一般可达30 ～ 40nm , 用一个光源可能对应数个气体吸收峰, 即可以同时测量数种气体。而且, 利用光纤激光器的内腔气体吸收测量和利用光纤放大器的光纤有源腔的ring -down 腔技术可能将测量精度提高。
(1)窄带光源与谐波检测技术
Ⅳ -Ⅵ 族铅盐半导体激光器是最早用于气体传感的。它的波长为3μm ～ 30μm , 正好在气体吸收的基频频谱范围内,因此气体吸收效应明显高于近红外波段, 最小可探测灵敏度可到ppb(9-10)量级。但是由于它的波长范围超出了现在光纤的透过窗口, 在光纤中损耗太大, 不适合与用做光纤气体传感应用。也许将来的中红外光纤技术的发展, 可以利用这个波段的气体吸收谱进行高灵敏度气体测量。
Ⅲ -Ⅴ 族半导体激光器已经用于气体传感研究。它可以单模输出数毫瓦的能量, 波长范围已经覆盖大部分的气体吸收峰且与光纤透过窗口匹配,可以采用光纤气体测量技术。更重要的是它可以在室温下工作, 性能相当稳定, 与之配套的光电器件成本较低, 技术相对成熟, 适合于光纤化测量以及工业应用。它的最主要缺点是光波长调节范围不够大,不能同时覆盖多个气体吸收峰, 而且此波段气体吸收较弱, 一般灵敏度为ppm(10)量级, 某些情况下可能到ppb 量级。分布反馈式(DFB)激光器是目前来说最好的气体传感用激光器。它可以提供一个与气体吸收峰带宽相当或更窄的光谱(50MHz), 其中心波长可以通过改变注入电流来调节, 调节范围可以达到几纳米, 并且在窄带宽内提供极高的光强(数毫瓦)。目前, 基于InGaAsP/ InP 材料的DFB 激光器已成系列, 可以对应于几乎大部分的常见气体的吸收峰。
利用光源波长或频率调制的窄带激光器与谐波检测技术配合(WMS 或FMS 技术)可以将光源波长精确稳定于吸收峰, 得到很高的检测精度0 .3ppm 。目前它已经被广泛应用于光纤气体传感。如何降低光源成本, 提高光源利用率(复用技术)将是此技术实用化的关键。
(2)宽带光源与梳状滤波器
对于甲烷和乙炔等具有梳状吸收峰的气体, 可用梳状滤波器与之匹配, 进行信号检测。宽带入射光可覆盖一族气体吸收峰, 通过气体吸收后, 光谱被调制为梳状。我们需要测量的是气体吸收引起的输出光功率变化。由于气体吸收峰窄, 因而相对光功率的变化也小, 测量精度不高。利用一个和气体吸收峰相匹配的梳状滤波器, 同时测量多个气体吸收峰, 气体吸收引起的相对输出光功率变化将会大大提高, 检测效率可得到改善。
梳状滤波器也可以用类似于窄带光源的波长锁定技术, 将滤波器透射波长锁定在气体吸收峰上。相对于上一种方案, 宽带光源(LED)比较便宜, 梳状滤波器对光源波长的稳定要求也不高。另外由于宽带光源相干长度小, 光纤接头处反射引起的干涉噪声大大低于半导体激光器光源系统。另一种可能的方案是用梳状的宽带光源, 直接与气体吸收峰对准, 可以得到类似的效果。
(3)光纤光源及有源腔气体检测技术
九十年代, 光纤有源腔为基础的气体检测技术是将气体传感单元(气体吸收盒)置于有源腔中, 通过调节增益, 使得腔的总损耗很小。由于光可以在低损耗腔来回传输而不衰减或衰减很慢, 这样光可以通过传感单元(气体盒)很多次, 相当于有效作用长度(气体盒长度)大大增加, 气体吸收的灵敏度也会提高几个数量级。这类方法是很重要的激光光谱分析技术,主要包括两类:Ring -down 腔光谱吸收检测技术以及激光内腔吸收检测技术。光纤Ring -down腔光谱吸收技术还是刚刚有一个概念, 没有任何实际的实验系统提出, 也没有更多原理的探讨。而光纤内腔吸收检测技术的研究也是才起步。对光纤有源腔气体检测系统, 由于利用宽谱的掺铒光纤作为增益介质, 因此可以在大范围内调节波长, 即一套系统可以对准数种气体吸收峰, 同时测量多种气体浓度, 而且有源腔的引入, 使信号在腔中能有效增强,大大简化信号接收处理设备, 这是利用光纤有源腔进行气体传感的最有诱惑力的地方。尽管如此, 光纤化的这类方法要能提供高灵敏度的气体浓度检测, 达到频率调制的谐波检测法的成熟度还有很长的路要走。而且, 同样的高成本问题也摆在人们面前, 如何用作多点网络传感检测是一个重要的研究课题。
