光学传感技术精选(九篇)

第1篇：光学传感技术范文

关键词：光纤传感技术；应用；工作原理；发展。

中图分类号：TP391 文献标识码：A

1. 光纤传感技术的发展

1.1光纤传感器的基本原理

光纤传感技术可分为传光型和传感型两类。光纤传感技术的核心是光纤传感器，相应的光纤传感器也分为传光型光纤传感器和传感型光纤传感器。

1.1.1传光型光纤传感器

传光型光纤传感器也称非功能型光纤传感器或强度调制型光纤传感器，光纤主要起传输光波的作用，传光型光纤传感器主要由光源、光纤、敏感元件、光电探测器、检测路等组成。传光型光纤传感器的原理是待测物理量引起光纤中的传输光光强I变化，通过光强I的检测实现对待测物理量的测量。强度调制的特点是简单、可靠、经济。

1.1.2传感型光纤传感器工作原理

传感型光纤传感器也称功能型光纤传感器，光纤既传光又传感。当光在光纤中传播时，被测物理量或外界因素作用在光纤上，使得光纤中传输光的振幅、相位、波长、偏振态等发生改变，此过程为光调制，调制后的光经光纤传输到光电探测器解调后转换成电信号输出。传感型光纤传感器的原理比传光型光纤传感器的复杂得多，这里不再详细介绍。

1.2光纤传感技术的研究进展

1.2.1 光纤光栅传感器

光纤光栅传感器是目前国内研究的热点之一。FBG传感器具有灵敏度高，易构成分布式结构，在一根光纤内可实现多点测量。满足“智能结构”对传感器的要求，可对大型构件进行实时安全监测；也可以代替其他类型结构的光纤传感器，用于化学、压力和加速度传感中。但是温度、应力交叉敏感是其实用化的最大限制。

目前，随着实用、廉价的波长解调技术进一步发展完善，光纤光栅传感技术已经向成熟阶段接近，部分也已经商用化。但在性能和功能方面需要提高。

1.2.2阵列复用传感系统

列阵复用传感系统将单点光纤传感器阵列化，实现空间多点的同时或分时传感，也称为准分布式系统。目前，应用最为广泛的是光纤光栅阵列传感和基于干涉结构的阵列光纤传感系统。

阵列化光纤传感的优点是可以实现大范围、长距离多点传感，是大规模光纤传感的一个重要发展趋势。阵列化的发展方向也对各个传感元的灵敏度、稳定性、批量制作可重复性、解调的快捷准确等提出新的要求。

1.2.3分布式光纤传感系统

分布式光纤传感系统是根据沿线光波分布参量，同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量的分布信息，可以实现长距离、大范围的连续、长期传感。

2. 光纤传感技术的应用

2.1光纤传感技术在结构工程检测中的应用

钢筋混凝土是目前非常广泛应用的材料，将光纤材料直接埋入混凝土结构内或粘贴在表面，是光纤的主要应用形式，可以检测热应力和固化、挠度、弯曲以及应力和应变等。混凝土在凝固时由于水化作用会在内部产生一个温度梯度，如果其冷却过程不均匀。热应力会使结构产生裂缝，采用光纤传感器埋入混凝土可以监测其内部温度变化，从而控制冷却速度。

混凝土构件的长期挠度和弯曲是人们感兴趣的一个力学问题，为此已研制出能测量结构弯曲和挠度的微弯应变光纤传感器，并用一根光纤连接整个结构不同位置上的传感器进行同时监测，每个传感器的位置可用OTDR来识别。光纤传感器还能探测混凝土结构内部损伤。在正常荷载作用下，由于钢筋阻止干化收缩或温度引起的体积变化都会引起裂缝，裂缝的出现和发展可以通过埋入的光纤中光传播的强度变化而测得。

2.2光纤传感技术在桥梁检测中的应用

桥梁是一个国家的经济命脉，桥梁的建造和维护是一个国家基础设施建设的重要部分。利用光纤传感器测量振动，主要可得到桥梁的振动响应参数如频率、振幅等，其方法是：将信号光纤粘贴于桥梁内部，它随着桥梁的振动而产生振动响应， 输出光的相位作周期性的变化，则光电探测器接收到的光强也作周期性的变化。

成功的案例有：加拿大在1993年将光纤传感器预装到一座碳纤维预应力混凝土公路桥上，在桥开通后连续监测了8个月，测量了混凝土内部的整体分布应变，并用动态规化理论处理数据，准确而又快速的评估了桥梁的使用状态及寿命。1996年，美国海军实验研究中心研制了新墨西哥州I -10桥健康检测系统，它由60个FBG传感器组成，可实现动态与静态应变测量。

2.3光纤传感技术在岩土力学与工程中的应用

岩土工程检测具有长时效性、环境复杂、具有时空限制、施工环境制约等特点，其检测工作一直是等待解决的难题。目前已有的常规的测试技术在长期的工程应用中表明，满足上述测试要求十分困难。而由于光纤传感器体积小、质量轻、不导电、反应快、抗腐蚀等诸多优良特性，使用它成为岩土力学工程的检测工具成为学者们的研究对象。下面列举一例成功应用光纤传感器检测岩土工程的成功案例：

三峡大坝坝前水温监测

三峡大坝坝体内部靠近上游面埋设有点式温度计，因埋设点位于坝体内，所测温度与实际库水温度存在一定的差异。为了能更真实地反映库水温度的变化规律，长江科学院结合坝前水温观测的实际现状，在左厂14-2坝段布设1条测温垂线，采取光纤Bargg光栅温度传感器进行监测，通过实际工程应用，光纤Bargg光栅温度传感器测量水温，可以满足水温监测的要求，且与水银温度计直接测量水温相比，结果较好。

2.4光纤传感技术在军事上的应用

光纤传感技术在军事上同样应用广泛。光纤陀螺仪经过30多年的发展，已经广泛应用与民航机，无人机，导弹的定位和控制中。光纤水听器可以用于船舶军舰收集声音，探测越来越先进的潜艇。且近几年来，基于光纤传感技术的光纤网络安全警戒系统开始在边防及重点区域防卫中得到推广应用。目前，世界上发达国家使用的安全防卫系统就是基于分布式光纤传感网络系统的安全防卫技术。

3. 结语

从20世纪70年代中期至今，光纤传感技术经过快速发展已取得了长足的进步，测量各种参数的光纤传感器也应运而生。光纤传感器由于体积小、质量轻、不导电、反应快、抗腐蚀、不受电磁、射频及雷电流等的干扰和影响， 以及集传感与传输于一体的独特优点，使得光纤传感技术广泛应用于生活的各个方面。今后，光纤传感器和光纤传感技术将继续迅速发展，主要方向以提高性价比、降低成本、多用途、提高敏感度以及恶劣环境下的传感器研究。光纤传感器可能发展趋势有：（1）以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象；（2）集成化光纤传感器；（3）多功能全光纤控制系统；（4）开辟新领域。

参考文献：

1.光纤传感技术及军事应用，孟洲，胡永明，姚琼等

第2篇：光学传感技术范文

关键词：光纤传感 光纤传感网 微结构 非线性光学 光纤扰动

中图分类号：TN523 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（b）-0047-02

光纤传感技术因其具有抗电磁干扰、电绝缘、体积小、易成阵列等优点，自从问世就受到极大重视[1]。光纤传感技术在实际应用中，往往是将各种传感器组成光纤传感网，对多种信号进行测量。但是目前传感器受结构、工艺束缚，系统稳定性较差，光纤传感网技术的应用范围受到限制。随着我国国民经济的飞速发展，各个领域对更高精度、多指标检测方面需求越来越迫切，这就对光纤传感检测系统提出了更高要求。因此，国家将新一代光纤智能传感网与关键器件基础研究列为国家重点基础研究发展计划（973计划），对关键性原理、器件的研究进行重点支持。

新一代光纤智能传感网是一种具有3S（Smart structure 灵巧结构，Smart components 灵巧器件，Smart skill 灵巧技术）功能的系统，具有超长距离传感能力，并且能够智能的实现自寻径、自诊断、自愈等功能。该传感网的研究主要涉及四个关键性科学问题：研究微结构中物质与光波耦合作用的机理；研究基于非线性光学散射效应融合的光纤传感技术；研究基于光纤扰动理论的光纤传感技术；研究光纤智能传感网的优化技术及其应用理论。

1 微结构光纤传感研究

随着光纤传感技术应用领域的扩展、应用场合空间限制等因素，对光纤传感器的尺寸及结构提出了更高的要求，因此需要开展基于新型敏感元件、新原理的光纤传感研究。目前主要的研究方向为新型光子晶体光纤传感和基于光微流体理论的光纤传感。

1.1 新型光子晶体光纤传感

光子晶体光纤（PCF）是一种基于光子晶体特性的新型光纤，主要特点是包层区有许多平行于光纤轴的微孔。目前大部分光纤传感器的敏感元件为普通的光纤，因此存在保偏性差、耦合损耗大等问题，而采用光子晶体光纤的传感器不仅能够克服上述缺点，还具有调谐范围宽、模场面积大、可以多参数测量等优点。据报道，目前利用光子晶体光纤传感器对三聚氰胺的最低检测浓度可以达到0.25 g/L，砒啶的最低检测浓度达到0.004975%，为公共安全及食品安全领域提供了一个新的检测方法。

燕山大学是国内最早开展相关研究的单位之一，在光子晶体光纤的制备与应用方面经验丰富。燕山大学的毕卫红、李建萍等[2]研制了一种双周期光子晶体光纤光栅传感器，该传感器可对折射率及温度进行检测。天津大学在光子晶体光纤领域也开展了相关研究[3-4]，研制了灵敏度为2400 nm/RIU的光子晶体光纤传感器、最高分辨率为4×10-6 RIU的液芯PCF-SPR温度传感器和具有可调谐温度跳变点的温敏光开关。

1.2 基于光微流体理论的光纤传感

基于光微流体理论的光纤传感技术是近些年发展起来的新兴技术，通过检测折射率实现对生物、化学参量的无标记检测，可以检测蛋白质、DNA、病毒等，在医学、食品检测、环境监测等领域具有广阔应用前景。天津大学对以微毛细管为基础的生物传感进行了深入研究。通过在毛细管中添加特殊介质，并采用在内壁涂覆高折射率基质层的方法，可以高灵敏度的进行传感检测。

近年来气体光纤传感越来越受到重视，天津大学的刘琨、刘铁根等[2]基于L波段EDFA构建了光纤内腔气体传感系统，同时串联标准具和光栅为系统提供波长参考，可以对CO2、CO等气体进行浓度检测。针对国家在航空航天方面的重大需求，天津大学研制了基于F-P干涉原理的大气压力解调系统，光纤F-P传感器[4]采用了MEMS微加工、键合封装等技术，解调算法方面，提出了任意极值算法、单色频域法。该系统有望应用于新型战机如J20、J15等，替代基于空速管的大气压力系统，从而达到抗电磁干扰、增强机体隐身性的要求。

2 基于非线性光学散射效应融合光纤传感研究

光纤的非线性效应主要是指拉曼散射效应和布里渊散射效应。光纤拉曼温度传感器可以应用于大型土木建筑、隧道、提坝、电力工程等领域。中国计量学院光电子研究所是国内最早开展相关研究的单位之一。该单位研究的相关系统[5]已经成功应用在许多领域，如在日照港卸煤设备上安装的光纤温度传感网系统，该系统监测到大型运煤翻车机电机过热并进行报警，成功避免了火灾，挽回经济损失1200余万元；部分高铁路段的隧道也应用了相关温度传感系统，对隧道内温度实时监测，预防火警，保障高铁列车的安全运行。

基于布里渊散射的光纤传感技术起步比较晚，但是由于其具有可测量多个物理量（温度、应变等）、传感距离长、易于实现网络化等优点，近年来备受关注。南京大学的胡君辉、张旭苹等[6]研究了一种长距自诊断方法，可以在72 km传感长度实现损坏自诊断。基于布里渊散射的光纤传感系统在工程实际中也被大量应用，例如南京市鼓楼隧道应变分布式光纤监测项目、云南嵩待公路白泥井3号隧道分布式光纤应变监测项目[8]。

3 基于光纤扰动的光纤传感

扰动（振动）是一种典型的动态变量，在军事、建筑、交通等各个领域都是一项重要参数。随着我国经济的快速发展以及国际竞争的加剧，信息安全建设的重要性日益凸显。尤其是2013年6月以来，美国特工斯诺登揭露的“棱镜门事件”深刻揭示了当前信息安全领域存在重大危机。因此保密场所周界环境安全监控、通信线路的安全监控等方面的安全防范措施变得非常重要，光纤扰动技术则可以满足这些需求。

光纤扰动及定位传感网采用的是光纤干涉传感技术，整根光纤都作为传感器，一旦有外界异常现象（压力、拉伸、振动等），将会引起光纤中传输光的干涉强度变化，通过检测这些变化可以实现扰动定位。复旦大学、天津大学、上海理工大学等高校的科研人员针对光纤扰动系统进行了大量研究。在部分军事通信光缆、机场、部队驻扎地等场所已经应用了分布式光纤扰动系统。上海市公安系统也率先应用全光纤侦听设备进行刑事侦查。

4 光纤智能传感网的优化及其应用理论研究

随着光纤传感技术在工程领域的应用，对光纤传感技术提出了新的要求：不但需要针对单一指标组网进行实时准确监测、测量，还需要获得被测对象的全面信息，以便提高监测的准确性，并能够实现对系统自身的自检自愈。

天津大学的张红霞、王舒等提出了一种针对光纤传感网鲁棒性的评价方法。丁振扬、姚晓天等采用去斜滤波器补偿主干涉拍频信号中的非线性相位或相位噪声的方法，使得基于OFDR 技术的光纤传感网空间分辨率提高了近100倍。

目前，多种光纤传感技术融合的传感网已经在实际中得到了应用。天津大学针对航天领域大规模高精度传感器密集排布以及独立空间组网的重大需求，采用光栅光纤温度测量系统、F-P压力测量系统以及声振动测量系统组网，初步完成适应热真空环境的多参量（温度、压力、振动）、多点位、高精度、高密度光纤异构智能传感网的组建。

5 结论

新一代智能光纤传感网是未来光纤传感技术的发展趋势，在国防军事、航空航天、土木工程等领域具有广泛应用前景。众多科研机构均开展了不同器件、基于不同原理的光纤传感技术研究，并取得了一定的应用成果，但是在基于微结构的传感器设计、相关解调算法、系统结构优化方面还有提升的余地。在国家973计划等重大科研项目推动下，光纤传感网技术将会更加成熟，在各个领域将发挥更大的作用，为提升我国在传感及光电子领域中的自主创新能力、增强我国信息产业的国际竞争力、促进国民经济的快速可持续发展做出更多更大的贡献。

参考文献

[1] Guo X，Bi W，Wang L，et al. Simultaneous measurement of refractive index and temperature using dual-period grapefruit microstructured fiber grating[J]. Optik-International Journal for Light and Electron Optics，2013， 124（18）：3371-3374.

[2] Hao C，Lu Y，Fu X，et al.Surface plasmon resonance sensor based on grapefruit fiber filled with silver nanowires[C]//OFS2012 22nd International Conference on Optical Fiber Sensor. International Society for Optics and Photonics，2012：84217C-84217C-4.

[3] Wang R，Yao J，Miao Y，et al. A Reflective Photonic Crystal Fiber Temperature Sensor Probe Based on Infiltration with Liquid Mixtures[J].Sensors，2013， 13（6）：7916-7925.

[4] 刘琨，刘铁根，江俊峰，等.基于波长调制技术的内腔式气体传感研究[J].中国激光，2010，38（1）：105008.

[5] Yin J，Liu T，Jiang J，et al.Wavelength-division-multiplexing method of polarized low-coherence interferometry for fiber FabryPerot interferometric sensors[J].Optics letters，2013，38（19）：3751-3753.

[6] 王剑锋，宏岩，马建东，等.光开关在分布式光纤温度传感系统的应用研究[J].光电子.激光，2010， 21（9）：1291-1293.

[7] Wang Jianfeng，Hong Yan， Ma Jiandong，et al.Application research of optical switch in distributed optical fiber temperature sensor system[J]. Journal of Optoelectronics・Laser， 2010，21（9）：1291-1293.

第3篇：光学传感技术范文

【论文摘要】：介绍了光纤传感器的基本构成及原理，综述了近年来光纤传感器技术的应用和发展，对光纤传感技术的研究发展方向进行了展望。

光纤传感器随着光纤通信技术的实用化有了迅速发展，且以体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等明显优于传统传感器的特点，其应用范围深入至国防军事、航天航空、土木工程、电力、能源、环保、医学等。现如今光纤传感器已经能够对温度、压力、温度、振动、电流、电压、磁场等物理量进行测定，发展空间相当广阔。

1. 光纤传感器的基本构成和组成原理

光纤传感器主要由光源、光纤与探测器3部分组成，光源发出的光耦合进光纤，经光纤进入调制区，在调治区内，外界被测参数作用于进入调区内的光信号，是其光学性质如光的强度、相位、偏振态、波长等发生变化成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器而获得被测参数，光纤传感器中的光纤通常由纤芯、包层、树脂涂层和塑料护套组成，纤芯和包层具有不同的折射率，树脂涂层对光纤起保护作用，光纤按材料组成分为玻璃光纤和塑料光纤；按光纤纤芯和包层折射率的分布可分为阶跃折射率型光纤和梯度折射率光纤两种。光纤能够约束引导光波在其内部或表面附近沿轴线方向向前传播，具有感测和传输的双重功能，是一种非常重要的智能材料。

2. 光纤传感器的类型及特点

光纤传感器的类型很多，按光纤传感器中光纤的作用可分为传感型和传光型两种类型。

传感型光纤传感器又称为功能型光纤传感器，主要使用单模光纤，光纤不仅起传光作用，同时又是敏感元件，它利用光纤本身的传输特性经被测物理量作用而发生变化的特点，使光波传导的属性(振幅、相位、频率、偏振)被调制。因此，这一类光纤传感器又分 为光强调制型，偏振态调制型和波长调制型等几种。对于传感型光纤传感器，由于光纤本身是敏感元件，因此加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度。

传光型光纤传感器又称非功能型光纤传感器，它是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后，通过在输出段进行光信号处理而进行测量的。在这类传感器中，光纤仅作为传光元件，必须附加能够对光纤所传递的光进行调治的敏感元件才能组成传感元件。

3. 光纤传感器的应用

光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面的应用:

(1) 城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中，用于测试应力松弛、施工应力和动荷载应力从而来评估桥梁短期、施工阶段和长期营运状态的结构性能。

(2) 在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等，由于电类传感器易受强电磁场的干扰，无法在这些场合中使用，只能用光纤传感器。分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术，分布式光纤温度传感系统不仅具有普通光纤传感器的优点，还具有对光纤沿线各点的温度的分布式传感能力，利用这种特点我们可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点的温度，定位精度可达米的量级，测温精度可达1度的水平，非常适用于大范围多点测温的应用场合。

(3) 在石油化工系统、矿井、大型电厂等，需要检测氧气、碳氢化合物、CO等气体，采用电类传感器不但达不到要求的精度，更严重的是会引起安全事故。因此，研究和开发高性能的光纤气敏传感器，可以安全有效地实现上述检测。

(4) 在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面，由于其环境复杂，影响因素多，使用其它传感器达不到所需要的精度，并且易受外界因素的干扰，采用光纤传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精度，可实现对上述各领域的生物量的快速、方便、准确地检测。目前，我国水源的污染情况严重，临床检验、食品安全检测手段比较落后，光纤传感器在这些领域具有极好的市场前景。

(5) 医学及生物传感器。医学临床应用光纤辐射剂量计、呼吸系统气流传感系统;圆锥形微型FOS测量氧气浓度及其他生物参数;用FOS探测氢氧化物及其他化学污染物;光纤表面细胞质粒基因组共振生物传感器;生物适应FOS系统应用于海水监测、生化技术、医药。

光纤传感器在实践中运用到的例子举不胜举，这些技术都是多学科的综合，涵盖的知识面广，象光纤陀螺，火花塞光纤传感器，光纤传感复合材料，以及利用光纤传感器对植物叶绿素的研究等等；随着科技的不断进步，越来越多的光纤传感器将面世，它将被应用到生产生活的每一个角落。

4. 光纤传感器的技术发展方向

光纤传感技术经过20余年的发展也已获得长足的进步，出现了很多实用性的产品，然而实际的需要是各种各样的，光纤传感技术的现状仍然远远不能满足实际需要。目前，光纤传感器技术发展的主要方向是。

(1) 传感器的实用化研究。即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量，要能够对多种物理量进行同时测量。

(2) 提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度，降低其成本，设计复杂的传感器网络工程。注意分布式传感器的参数，即压力、温度，特别是化学参数(碳氢化合物、一些污染物、湿度、PH值等)对光纤的影响。

(3) 传感器用特殊光纤材料和器件的研究。例如:增敏和去敏光纤、荧光光纤、电极化光纤的研究等。这些将是以后传感器进一步发展的趋势。

(4) 在恶劣条件下(高温、高压、化学腐蚀)低成本传感器(支架、连接、安装)的开发和应用。

(5) 新传感机理的研究，开拓新型光纤传感器。

参考文献

[1] 肖军， 王颖. 光纤传感技术的研究现状与展望[J]. 机械管理开发， 2006，6.

[2] 吴洁， 薛玲玲. 光纤传感器的研究进展[J]. 激光杂志， 2007，5.

[3] 吴琼， 吴善波， 刘勇， 袁长迎. 新型光纤传感器的设计及其特性研究[J]. 仪表技术与传感器， 2007，11.

第4篇：光学传感技术范文

[关键词]环境监测；四旋翼飞行器；传感器检测；32位微处理器

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）01-0323-01

传感器技术作为信息技术的三大基础之一，是当前各发达国家竞相发展的高技术，是进入21世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。传感器技术所涉及的知识领域非常广泛，其研究和发展也越来越多地和其他学科技术的发展紧密联系。

传感器技术一般主要包括两部分：能与待测物反应的部分以及信号转换器部分。后者的作用是将与待测物反应后的变化转换成可被仪器识别的电学或光学信号。根据检测方法的不同，传感器可分为光学传感器，电化学传感器等皿；根据反应原理的不同，传感器可分为酶生物传感器、免疫传感器、化学传感器；根据检测对象不同，传感器可以分为液体传感器和气体传感器。

传感器技术与通信技术计算机技术相结合构成的智能传感器以其较高的精度良好的可靠的多样性等特点在过程控制以及信号监测中得到人们的关注已成为当今国内外研究的一大热点本文设计了一种用于对环境信息进行实时监测的无线传感器系统在实际应用中能够对环境参数进行准确的测量并可靠传输体现了传感器系统数字化智能化无线化的优点。

传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置――传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵”。传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术之一。传感器已广泛应用于航天、航空、国防科研、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林、渔业生产、食品、烟酒制造、机器人、家电等诸多领域，可以说几乎渗透到每个领域。

细颗粒物又称细粒、细颗粒、PM2.5是 ，它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。目前，各国环保部门广泛采用的PM2.5测定方法有三种：重量法、β射线吸收法和微量振荡天平法。这三种方法的第一步是一样的，区别在于第二步。将PM2.5直接截留到滤膜上，然后用天平称重，这就是重量法。重量法是最直接、最可靠的方法，是验证其它方法是否准确的标杆。然而重量法需人工称重，程序繁琐费时。如果要实现自动监测，就需要用到另外两种方法。β射线吸收法：将PM2.5收集到滤纸上，然后照射一束beta射线，射线穿过滤纸和颗粒物时由于被散射而衰减，衰减的程度和PM2.5的重量成正比。根据射线的衰减就可以计算出PM2.5的重量。微量振荡天平法：一头粗一头细的空心玻璃管，粗头固定，细头装有滤芯。空气从粗头进，细头出，PM2.5就被截留在滤芯上。在电场的作用下，细头以一定频率振荡，该频率和细头重量的平方根成反比。于是，根据振荡频率的变化，就可以算出收集到的PM2.5的重量。由于我们是要将飞行器升入空中去检测，所以重量法没法完成。飞行器在空中飞行，相对来说没有在地面稳定，所以振荡天平法也不太精确，可靠。所以我们采用β射线吸收法来检测空中的pm2.5。

大多数国家都是建立的监控站来检测，我们采用的是用无人机来检测，这样可以更简洁、更明了、精确度也相对高一点。我们主要针对小区、学校这种小区域的范围来检测，范围小，灵活性强，它可以移动，在这个小区检测后，也可以应用到其他小区。

在测量PM2.5方法我们采用光吸收技术：当光波通过线性物质时，会与物质发生相互作用，光波一部分被介质吸收，转化为热能；一部分被介质散射，偏离了原来的传播方向，剩下的部分仍按原来的传播方向通过介质。透过部分的光强与入射光强之间符合朗伯一比尔定律。光吸收型粉尘浓度传感器以朗伯一比尔定律为基础，通过测量入射光强与出射光强，经过计算得到粉尘浓度，该法具有在高粉尘浓度情况下测量准确的特点。在传感器方面，本项目打算用PPD42NS粉尘传感器。

科学技术的进步为气体检测仪器仪表行业的发展提供了条件，市场和政府政策的推动、人们安全意识的提高、相关法规法律的完善是气体检测行业发展的核心动力，这些推动使气体检测仪器仪表行业处于产业高速增长期。从技术发展的角度看，根据使用传感器原理的不同，常见的气体检测仪器仪表各自有适用气体及应用领域，新技术新产品正在成为未来气体检测仪器仪表的主流。

目前，传感器技术已开始应用于各环境监测机构的应急检测，但是实际应用中有诸多的局限性，比如在对大气中的某些有害物质进行检测时，由于其含量往往低于传感器的最低检测限，因此在实际应用过程中，还需要进行气体的浓缩处理，这样就使传感器不容易实现微型化，或者需要借助更高灵敏度的传感器；纳米、薄膜技术等新材料研制技术的成功应用为气体传感器集成化和智能化提供了很好的前提条件。气体传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术、故障诊断技术、智能技术等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体的全自动数字式的智能气体传感器将是该领域的重要研究方向。

参考文献

[1] 徐君丽、刘冀伟、王志良.基于无线网络的智能监控系统设计与实现[J]，微计算机信息，2005年第21卷第6期

[2] 孙利民、李建中、陈渝等.无线传感器网络[M]，清华大学出版社，2005年5月第1版

第5篇：光学传感技术范文

【关键词】光纤通信；智能电网；应用

1.光纤通信技术的现状

光纤通信技术，其促进了我省电力系统通信的发展，当前，光纤通信技术的种类大致可以分为以下几种：

1.1波分复用技术

波分复用技术是指将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输，在接收端将各个不同波长的光信号分开的通信技术。波分复用技术应用特点具体可以归结为以下几点：首先，其充分利用光纤的低损耗波段，增加光纤的传输容量，使一根光纤传送信息的物理限度增加一倍至数倍。目前我们只是利用了光纤低损耗谱（1310nm-1550nm）极少一部分，波分复用技术可以充分利用单模光纤的巨大带宽约25THz，传输带宽充足。其次，传送信号的能力大；它具有在同一根光纤中，可以传送2个或数个非同步信号的强大能力，从而有利于数字信号和模拟信号的兼容。第三，具有较强的灵活性；它可以对已建光纤系统，尤其早期铺设的芯数不多的光缆，只要原系统有功率余量，就可以进一步增容，进而实现多个单向信号或双向信号的传送而不用对原系统作很大的改动。第四，当出现故障时，恢复的速度快；由于光纤数量少，一方面大大降低了建设成本，与此同时，当出现故障时，恢复起来也迅速方便。第五，由于有源光设备的共享性，对多个信号的传送或新业务的增加降低了成本。第六，系统的可靠性提高；系统中有源设备得到大幅减少，这样在一定程度上就大大提高了系统的可靠性。

1.2光纤接入技术

光纤接入技术是指以光纤作为传输介质，采用激光传输技术的接入网，泛指本地交换机或者远端设备与用户之间采用光纤通信或者部分采用光纤通信的系统。根据接入网室外传输设施中是否包含有源设备，其可以分为：无源光网络（PON）有源光网络（AON）。这种光纤所具有的优势：首先，其具有带宽优势，与双绞线和同轴缆相比，光纤的理论带宽几乎是无限的，并且单个波长可以传输10Gb/s，采用波分复用可以传输更高的速率。其次，长距离传输优势；衰减很小，增加光放器传输距离可达数百公里。第三，抗恶劣环境优势，其抗腐蚀能力强，而且不受电磁波等因素的干扰。第四，安全性优势，其盗接线头困难，不易盗听。

2.光纤通信技术在智能电网中的应用分析

智能电网的发展已经日益成为当今国际的共识，中国的智能电网建设为顺应这一国际形势，也在如火如荼的紧张进行着。目前，电力系统已经成功建成了先进的电力专用光纤通信网络，同时传感器的网络发展也势不可挡，两者必将会进一步促进青海省电力系统智能电网的快速发展。

2.1光纤通信技术已经成为智能电网通信网络建设的首选

随着光纤复合电压电缆的成功研制，在智能电网全面建设中，电力光纤到户已经成为当今势不可挡的一种发展趋势。

我们都知道智能电网需要一个高可靠、高带宽的通信网来推动电网的建设和发展。例如：某省某县地区4座供电营业所均已实现光纤覆盖，通信采用2M电路方式；但光纤未覆盖变台、用户表，通信方式主要还以公网GPRS无线通信为主，给日常运维带来极大不便。而我省贵德县主光纤线路已建设完成正好具有带宽高、抗干扰能力强、性价比优等特点，其它通信技术无法比拟的优势，因此，建设智能电网通信网络是最佳选择。

2.2光通信和无线通信的融合是未来的发展趋势

众所周知，光纤通信技术最大的特点就是高速、稳定以及传输距离远且抗干扰能力强等众多优势，而无线最大的特点就是方便灵活，如何将两者的优势充分结合起来一直是技术人员研究的重点。这种需求随着视频通话、多媒体无线接入、P2P文件传送等大容量需求上升而使其变得更加的紧迫，因此，这就在一定程度上使人们意识到光纤和无线的结合必将成为未来的发展趋势。

2.3 更好的实现了电力光纤到户，解决了广大群众上网难的问题

电力光纤到户是一个非常好的概念和架构，它的目的是在接电的同时，把光纤直接入户，这在一定程度上将极大地改善了广大农村地区上网难的问题，我们可以在铺设电力线路的同时，最大可能地实现光纤的接入，为以后的上网需求提供更为便利的条件，同时我们也要充分发挥光纤到户的技术优点和政策优势，尤其是在边远地区，大力推广电力光纤到户，一次性地完成成本投入，争取为以后智能电网在农村全面铺开奠定良好的基础。

2.4功能完备的传感器网络对电网智能化的重要意义

光纤传感器网络是通过传感器来收集信息并借由光纤把相关数据传输到数据中心，然后依托数据中心的数据处理系统对前端传感器采集的数据进行离线或实时处理，并依此执行后续工作，如监测或监控，如果传感器布置在输电线路上，则可以对输电线路的状态进行检测。传感器网络涉功能涉及的方面较多，可能既涉及到光纤传感器网络，也涉及到无线传感器网络，甚至是二者的融合网络，如果这个网络较为完备，那将极大地推进智能电网的发展。例如，分布式光纤温度传感技术的引用。如果在部分地区发生雪灾时，我们引用这种先进的光纤温度传感技术，就能够做到对电力系统电缆、铁塔等设施的温度、压力进行实时监测，从而做到及时的排险，减少国家经济损失。

3.总结

综上所述，我们可以得知，光纤技术作为电力系统中信息传输的重要组成部分，为电力系统提供了容量大、快捷方便以及距离远这种安全可靠的信息传输方式，对我省电力系统的安全稳定的运行起到的重要的作用。因此，我们应该进一步加强光纤通信技术在智能电网中的应用研究，确保光纤通信技术在信息时代所占据重要的战略地位。

参考文献：

[1]杨富印，尹树华，陈光静.对光纤通信中几个问题的研究[J].电讯技术，2002年03期

[2]韦早春，黄学宁，潘身明，覃钢.光纤通信技术的进展[A]；2004全国光学与光电子学学术研讨会、2005全国光学与光电子学学术研讨会、广西光学学会成立20周年年会论文集[C]；2005年

[3]胡辽林.高速光通信中若干关键技术的研究[D].西安电子科技大学，2004年

[4]张永健.电网监控与调度自动化[M].中国电力出版社，2004年

[5]魏丽芳，王克谦，郭克义.浅谈光纤通信技术在智能电网中的应用与发展[J].中小企业管理与科技，2011年第34期

作者：

第6篇：光学传感技术范文

[关键词]传感器；激光；光谱吸收

中图分类号：TD712.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）45-0334-01

中国是世界上煤炭产量最多的国家，同时也是世界上煤矿事故及事故率最大的国家。在我国每年由瓦斯引起的煤矿事故造成的直接经济损失超过百亿元，降低了生产效率，每年间接经济损失无法估量。随着国家对安全生产的日益重视及社会对矿工生命的日益尊重，煤矿安全技术工作已被《国家中长期科学和技术发展规划纲要》列为重点攻关领域。“矿井瓦斯、突水、动力性灾害预警与防控技术”被列为重点研究内容，提高瓦斯监控产品技术迫在眉睫。

如何早期和精确地检测井下瓦斯的状况将是预防瓦斯爆炸的关键环节。现阶段，我国矿用甲烷传感器主要分为： 催化元件式（热催化式）、电化学式、光干涉式及红外式，其中大部分采用热催化式传感器，其误报率大、灵敏度低、使用寿命短，需定期进行校正，特别是当瓦斯浓度超过5.0%时，元件表面温度可能达800～1000 ℃，致使元件本身成为一个引爆源， 具有潜在的危险性。而光干涉式及红外式虽然测量精度高， 但是响应时间慢、功耗大并且会受到其它气体的影响。

1 光谱吸收式激光甲烷传感器研究现状

广泛应用于煤矿瓦斯监测的传感器基本上全部是黑白催化元件和热导元件"黑白元件的量程在以下，每隔两周必须标定一次；热导元件误差比较大；催化元件和热导元件组成的混合型传感器尽管可以实现大量程，但是对瓦斯的突出响应不够迅速。特别对于监测易燃的气体鉴别能力！快速的响应能力，对温度湿度等干扰的抵抗力，简单可靠的气体传感探头以及易于形成网络等优点，因而是目前最有前途的气体传感技术。

西方发达国家当中针对吸收式光纤气体传感方面的研究相对起步较早，而采用光谱式技术则最早出现在日本。早在1990年的时候，日本东京大学的H.Tai就制造了基于反馈技术的激光传感设备。通过采取波长调节的方式完成对室温条件下的甲烷气体进行浓度检测。当前社会环境中主要采用吸收式技术制造甲烷传感设备。这其中例如的瑞典、美国以及法国等国家的企业在分差光谱技术方面都十分成熟。我国在进行光谱吸收式技术传感设备的研究相对较晚，截止到上个世纪的80年代，我国在吸收式光纤气体方面的研究仍然停留在LED光源基础上。直到1989年的时候，在西安的光学杂志上我国才第一次有了针对差分光谱方面的介绍。直到2001年的时候，由吉林大学方面的王教授在借鉴了朗博吸收定律的基础上，设计完成了我国具有现代意义的全新光路以及电路结构检测仪器。这项甲烷检测仪器研制成功也意味着我国在光谱吸收激光甲烷传感器方面的研究真正迈向了国际水平。

2 试验过程

现在就某矿井安装与布置光谱吸收激光甲烷传感器为例，描述试验过程。采用这项技术能够完成对井下多点同时甲烷气体浓度检测，并在检测的过程中很好适应工作条件。光纤瓦斯传感技术对使用条件要求不高，一般采用悬挂式。

光纤瓦斯监测技术则会与井下相关分站彼此连接。采用光谱吸收式传感技术在井下试验三个月时间，通过调试能够促进光谱吸收式传感技术性能情况，并对其进行进一步的校正。试验过程中主要对几个方面进行改进：首先，电源模块，通过进行耗电量使用情况的调节，能够有效提升实测过程中探头整体待机状态的耗电情况。确保误报警环境中的整机电流≤350ma以下；其次，提升兼容性。试验中传感设备的断电输出与使用模式低电平断电两者之间存在不相符的情况。通过修正这个问题能够被较好的解决。

上述技术设备在进行校正与改进之后，光谱吸收式传感设备的性能又有了提升。通过1A井下相关实验数据结果显示，传感功能完成较好，数据传输相对稳定，符合相关标准。GJG4传感产生延迟15S，相对于当前规范当中指出的时限有所提升。光谱吸收式传感技术与设备在井下使用的对比数据结果相对于催化燃烧式数据波动值相似，通过走何种不敏感性的数据结果分析，采用催化燃烧式的传感检测技术与设备可能对可燃气体产生反应。实测得到的传输距离范围在2000m；工作电流量维持在99-135ma范围。传感设备在经过重新校对之后下井使用，通过6个月为期测试，设备运行稳定，基本上只需要简单维护，相对与催化燃烧式的检测传感设备，极大程度上降低了维修工作量。

3 试验分析与性能对比

当前在技术应用方面主要采用的标准主要是：《煤矿用低浓度载体催化燃烧式甲烷传感器》等，上述标准当中对甲烷传感器可造成误差的规定范围如下图谱1.

而采用光谱吸收式技术的传感器形成误差范围如图谱2.

通过对上述中的两种图谱标准进行分析可以发现，光谱式测量数据内容具有明显优越性。在井下使用两种数据测量标准，并进行对比分析发现：

通过对比可知，采用光谱吸收式技术标准测量数据形成稳定性高，具有较高实用性。

第7篇：光学传感技术范文

最初农药残留检测技术仅限于化学法、比色法和生物测定法，检测方法缺乏专一性，灵敏度也不高。20世纪60年代气相色谱应用于农药和药物残留分析，大大提高了农药和药物残留量的检测水平。20世纪80年代以来，高效液相色谱法开始广泛应用于对热不稳定和离子型农药及其代谢物的分析。色谱法虽然定量准确、灵敏度高，但所需设备昂贵，需要专业人员操作，且分析时间长不利于现场监测。本文就当前农药和药物残留快速检测分析技术研究进展做一综述。

1 发光菌检测技术

研究表明，不同种类的发光细菌的发光机制相同〔1〕。即由分子氧作用，胞内荧光酶催化，将还原态的黄素核甘酸(FMNH2)及长链脂肪醛氧化为FMN及长链脂肪酸，同时释放出最大发光强度在波长450～490nm的蓝绿光。常用的发光菌有弧菌属和发光杆菌属的一些细菌。袁东星〔2〕等人采用发光细菌快速检测蔬菜中有机磷农药的残留量，通过发光菌对蔬菜中几种有机磷农药的抑光反应，得出发光强度与试样中有机磷农药浓度呈负相关的结果，其最小检测限可达到3mg/L。目前，发光菌检测技术广泛地应用于环境监测及食品安全检测中，其在食品安全检测中主要用于农药兽药残留检测、重金属生物毒性检测等〔3〕，方法快速、简便、灵敏。但是发光菌被激活后，它的发光强度会随时间的变化而改变，造成检测结果不稳定。此外，由于食品中成分复杂，污染物浓度较低，检测仪器达不到如此低的检测限，所以该法在食品安全检测中的应用还不多见。

2 化学发光技术

化学发光(CL)是以发光物质鲁米诺(Luminol)、没食子酸(Gallicacid)等与有机磷农药进行的一些特殊的化学反应，反应的中间体或反应物吸收反应所释放出的化学能而跃迁到激发态，当它们从激发态回到基态时会发生光辐射，光子通过光电倍增管和放大器后，转变为电流且被放大，在一定条件下电流大小与有机磷浓度成正比〔4〕。根据反应原理有以下4种检测方法：(1)对乙酰胆碱酶抑制的CL方法；(2)对碱性磷酸酯酶的催化CL方法；(3)对于过氧化物与吲哚反应的方法；(4)对于鲁米诺与过氧化氢(H2O2)反应的方法。采用化学发光法检测有机磷农药，其检测限可达到ng/kg级水平。Ayyagari〔5〕根据碱性磷酸酯酶可以催化含磷酸酯化合物发生去磷酸化作用，即乐果抑制磷酸酯酶的活性，并产生微弱的发光信号检测乐果，检测限为500ng／L。饶志明〔6〕等人以鲁米诺-H2O2体系对有机磷农药-甲基对硫磷进行化学发光分析，发现聚乙二醇对反应有显著的增敏作用，并建立了流动注射化学发光法(FIA-CL)测定甲基对硫磷的方法，检测限可达002μg/ml。目前研究较多的是化学发光与免疫分析、分子印迹、微流控芯片等技术联用检测食品中农药兽药的残留〔7〕，但仍处于实验室阶段，实际应用还很少。化学发光技术具有灵敏度高，反应速度快，选择性好，仪器设备简单等优点，更适合现场监测工作的开展。

3 免疫分析技术

应用于农药残留分析的免疫分析技术主要有放射性免疫分析(RIA)和酶联免疫分析(EIA)。由于RIA在仪器设备要求上的局限性，使得EIA成为农药残留分析中应用最为广泛的技术之一。EIA在实际应用中有直接法、间接法、抗体夹心法、竞争法、抑制法等。免疫分析是根据抗原抗体特异性识别和结合反应为基础的分析方法。有机磷农药是小分子量农药(MW<2500)，要将农药小分子以半抗原的形式通过一定碳链长度的连接分子与分子量大的载体(一般为蛋白质)以共价键相偶联制备人工抗原，以人工抗原免疫动物产生对该农药具有特异性反应的抗体(多克隆抗体)，利用杂交瘤技术制备出具有抗原特异性单一的抗体(单克隆抗体)。M A Kumar〔8〕等采用酶联免疫分析技术和流动注射技术结合检测环境和食品中的甲基对硫磷，其灵敏度高、特异性好。我国1999年刘曙照〔9〕等研制出甲萘威酶免分析线性浓度范围在10-1～10-4μg/ml，检测限低于001ng／ml。王刚垛〔10〕等人合成甲基对硫磷人工抗原并建立ELISA分析方法，其检测限达到5ng／ml。目前免疫分析技术主要以食品、环境中的农药、兽药残留作为检测对象，据报道，已有上百种农药建立起ELISA检测方法，如多菌灵、克百威、对氧磷、对硫磷、甲基对硫磷等。某些有机磷农药的检测限可达到ng甚至pg级，一些试剂盒已经商品化，广泛用于现场样品和大量样品的快速监测〔11，12〕。至今为止由于它有很强的特异性，1种试剂盒只能检测单一有机磷农药不能检测农药的多残留，并且对结构类似的化合物还有一定程度的交叉，再加上抗体制备难度大，试剂盒的成本高，这就限制了其在农残检测中的广泛应用。

4 生物传感器技术

生物传感器通常是指由一种生物敏感部件与转换器紧密配合，对特定种类化合物或生物活性物质具有选择和可逆响应的分析工具〔13-16〕。当待测物与分子识别元件(由具有识别能力的生物功能物质如酶、微生物、抗原和抗体等构成）特异性地结合后，产生的光、热等通过信号转换器转变为可以输出的电信号、光信号等，由检测器经过电子技术处理，在仪器上显示或记录下来，从而达到分析检测的目的。

41 酶生物传感器 有机磷农药与乙酰胆碱酶酯基的活性部位发生不可逆的键合从而抑制酶活性，酶反应产生的pH值变化由电位型生物传感器检测。其优点是快速、准确、可重复使用，但是酶对底物具有高度专一性且稳定性较差。Bernabeil M在一个生物传感器上偶联几种酶促反应从而增加了待测物的数目，即用乙酰胆碱酶和胆碱氧化酶双酶系统，制备了检测对氧磷和涕灭威的电流型H2O2传感器。

42 免疫生物传感器 利用抗体和抗原之间的免疫化学反应来制作的生物传感器。可以高灵敏度、高选择性、方便、快速地检测待测样品中的农药残留量。Wan〔17〕等人研制了便携式的光纤免疫传感器检测甲基对硫磷，其最小检测限为01ng/ml。Anis等研制开发的光纤免疫生物传感器用于测定样品中的对硫磷与色谱法相比，该法简便快速，分析周期缩短了4/5。

43 微生物传感器 利用活微生物的代谢功能检测污染物，一类是利用微生物在同化底物时消耗氧的呼吸作用；另一类是利用不同微生物含有不同的酶，把它作为酶源。具有能够适应宽范围的pH和温度的优点，但选择性较差。Mulchandani等人将携带有机磷水解酶(OPH)基因片断的质粒转入一种摩拉氏菌的菌体内，筛选得到可在胞外表达OPH的改良菌，从而制备的传感器对甲基对硫磷和对氧磷的检测限可低达l×10-6mol／L和2×10-7mol／L〔18〕。生物传感器已在环境监测、食品、医药等领域得到广泛应用。在有机磷的检测与其他分析技术相比，生物传感器具有体积小、成本低、选择性及抗干扰能力强、响应快等优点，也可同时检测多个样品，灵敏度高。但目前生物传感器技术还存在稳定性差，使用寿命短等问题。

5 展望

目前农药残留检测：发光菌技术主要应用于水质检测及环境规划，随着技术的发展发光菌法将和电子技术以及光电技术相结合，逐步发展为在线监测系统，为有机磷农药现场监测提供更加快速的检测分析手段。化学发光是近年来发展起来的一种高灵敏的微量及痕量有机磷残留检测分析技术，今后在改进和完善原有发光试剂和体系的同时，新发光试剂的合成及与其他技术(如微流控芯片技术、传感器技术等)的联用，更显示出化学发光分析技术快速、灵敏、简便的优点。ELISA技术与生物传感器技术目前还处于起步阶段，随着分析技术的不断改进，ELISA减少交叉反应的发生，进一步提高灵敏度及稳定性，免疫试剂盒不断的商业化；生物传感器的多功能化(1个传感器可检测多种农药残留)，降低产品成本，提高灵敏度、稳定性和延长寿命，它们在农药残留检测领域中会得到进一步的应用和推广，使我国的农药残留快速检测技术的应用出现多元化的局面。

参考文献

〔1〕 Thomtdka KW.Use of bioluminesecent bacterium photobacterium phosphoreum to detect potentially biohazardous materials in water［J］.Bull Environ Contam Toxicol，1993,51(4)：538.

〔2〕 袁东星，邓永智，林玉晖.蔬菜中有机磷农药残留的发光菌快速检测［J］.环境化学,1997,16(1)：77-81.

〔3〕 凌云，赵渝.发光细菌法在食品安全性检测中的应用［J］.食品与生物技术学报,2005，24(6)：106-110.

〔4〕 韩鹤友，游子涵.化学发光联用技术在兽药残留分析中的应用进展［J］.分析科学学报,2005，21(5)：552-556.

〔5〕 Ayyagari MS，Kamtrkar S，Pande R，et al.Biosenors for pesticide detection based on alkaline phosphates catalyzed chemiluminescence［J］.Materials Science and Engineering，1995，C2：191-196.

〔6〕 饶志明，王建宁，李隆弟.流动注射化学发光测定甲基对硫磷的研究［J］.分析化学，2001，4：1-5.

〔7〕 黄梓平,王建宁.利用化学发光技术对有机磷农药进行检测分析［J］.青海师范大学学报：自然科学版，2003，(1)：59-63.

〔8〕 Kumar M A,Chuhan R S，Thakur M S,et al.Automated flow enzyme-linked immunosorbent assay(ELISA)system for analysis of methyl parathion［J］.Analytica Chimica Acta，2006，(560)：30-34.

〔9〕 刘曙照.九十年代农药残留分析新技术［J］.农药,1998，37(6)：11-13.

〔10〕 王刚垛，何凤生，鱼涛，等.甲基对硫磷ELISA分析方法的建立及初步应用［J］.中国工业医学杂志，2001，14(6)：327-333.

〔11〕 赵人王争，陈景衡，杨俊.生物酶技术与酶免疫技术在农残快速分析方面的应用与研究进展［J］.中国卫生检验杂志，2002,12(5):640-641.

〔12〕 韩丽君，贾明宏，钱传范，等.甲基对硫磷的酶联免疫吸附分析(ELISA)研究［J］.农业环境学学报，2005,24：187-190.

〔13〕 Nunes GS，Barcelo D.Electrochemicalbiosensors for pesticide determination in food samples［J］.Pesticide Analysis，1998,26：156-159.

〔14〕 刘宗林，彭义交.有机磷传感器的研制［J］.食品科学，2004,25(2)：130-134.

〔15〕 乌日娜，李建科.生物传感器在农药残留分析中的研究现状及展望［J］.食品与机械,2005,21(2)：54-76.

〔16〕 陈帆，何奕.有机磷水解酶传感器及其应用研究进展［J］.传感器技术，2004,23(4)：5-9.

第8篇：光学传感技术范文

传统光学鼠标结合了一个可见光LED光源以及光学传感器与处理器来产生代表X轴与Y轴方向移动的脉波，与传统的滚轮式鼠标比较，它拥有几个优势，首先，不再使用机械式组件代表了更不容易损坏，同时也不再需要进行鼠标感测区上可能造成错误运作灰尘的定期清理，光学鼠标采用追踪传感器与处理器的组合能够提供更稳定且更高的分辨率以及更精确的追踪能力，同时更进一步消除了必须提供磨擦表面，例如使用鼠标垫才能运作的要求。

不过，传统光学鼠标的一个限制是它们无法在许多不同的平滑表面上可靠运作。

激光鼠标技术的发展带来了更高的追踪精确度与速度，和传统光学鼠标比较，更可以在更多的不同材质表面运作，罗技公司(Logitech International SA)在2005年率先推出的业界第一款商业化激光鼠标MX 1000采用了由安捷伦科技(Agilent Technology)公司所开发的激光传感器，安捷伦科技公司拥有许多有关LED传感器与激光传感器技术的专利，并以LaserStream品牌营销激光鼠标技术，安捷伦科技公司的半导体产品事业部，包括导航传感器相关业务目前已经分割独立成为安华高科技(Avago Technology)公司。

真正的激光鼠标，例如采用LaserStream技术的鼠标可以在多种不同的材质表面提供精确的追踪能力，激光鼠标可以轻松地在印刷金属、光滑木纹表面、平滑相纸、半透明塑料、瓷砖，以及其他以往较为困难的材质表面上工作，在这类表面上使用传统的LED光学鼠标可能会造成路径错误，也就是鼠标的追踪路径会偏离实际所追踪的路径，或者光标跳动、DPI分辨率不稳定以及其他恼人的异常问题。

激光鼠标的工作原理

一个相当常见的误解是激光鼠标与传统光学鼠标唯一差别只在于照明光源的不同，实际上如果只是将传统的LED光源改换为垂直共振腔面射型激光(VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser)并不一定可以让鼠标的效能提升，同时如果VCSEL的亮度输出没有经过适当的控制，这样的代换动作也可能会对使用者的眼睛造成伤害，Avago的激光鼠标传感器在设计与测试上都经过各种不同错误情况的考虑与验证，能够帮助鼠标制造商符合由国际电工委员会(IEC, International Electrotechnical Commission)所定义的IEC-60825-1标准Class1护眼要求。

采用LED的光学鼠标利用CMOS影像传感器以每秒数百次的速度来撷取鼠标所在表面的影像，并将这些影像送往到数字信号处理器(DSP, Digital Signal Processor)，用来侦测影像中的特性并计算相对于前一个影像的移动方向与幅度，透过这样的计算，鼠标送出相对应的X轴与Y轴脉波到计算机上，接着计算机再依这些脉波移动屏幕上的光标，请参考图1。

图2中的LaserStream鼠标设计则采用由激光所产生的同步光源提供影像变动干扰来决定移动的方向与速度。

这代表了激光鼠标所使用的影像是由同步激光光源照射到追踪表面所产生的反射干扰产生，返回的光波含有不同相位角相互干涉的成份，从而将表面情况加以量化来提供精确的追踪。

市售激光鼠标的比较

在罗技公司MX 1000激光鼠标推出上市后，激光鼠标在市场上取得了相当正面的响应，但采用安华高科技LaserStream技术激光鼠标的成功也吸引了各家竞争厂商投入开发几个在包装上也标示为“激光鼠标”的不同产品设计，这对希望找出适合特定应用或个人喜好最佳鼠标解决方案的用户带来困扰，目前市场上的“激光鼠标” 基本可以区分为3大类。

由于激光鼠标中所使用的VCSEL会产生不可见的红外线光源，因此就有使用传统LED光学导航技术的产品简单地使用红外线LED光源取代可见光LED光源后就宣称是“激光鼠标”的产品，请参考图3。

市面上也有使用与LED设计相同的导航传感器，但将可见光LED以VCSEL光源取代的产品，由于传感器并没有针对同步激光光源进行优化，因此这类设计中的传感器与透镜结构通常相当厚，请参考图4，这类型鼠标设计的一个问题是高DOF，也就是鼠标被提起时追踪高度的削减，此外传感器也可能没有内建用来管理激光照明源护眼标准要求的电路。

最后则是使用VCSEL照明结合上完全针对激光照明进行优化光学导航传感器的鼠标设计，这类激光导航解决方案的供货商不只一家，同时每个供货商的设计也提供了不同程度追踪效能的相异功能组合，值得注意的是，部分激光导航传感器并没有提供符合Class 1护眼标准的激光控制能力。

要为特定应用决定正确的规格与功能组合，用户可以透过包装盒上的产品规格或者依鼠标中所使用导航传感器的型号来找出导航传感器的技术规格，透过导航传感器的实际型号，使用者通常可以由供货商所提供的文件或网站找到实际的技术规格。

自从2005年在市场上推出第一个激光导航传感器产品后，安华高科技持续强化LaserStream导航传感器架构的效能、功能与生产方便性，安华高科技提供有一系列LaserStream导航传感器产品线来满足不同的市场区块与效能要求，表一提供了不同LaserStream导航传感器的简单特性介绍。

图5则为目前最新的整合型LaserStream系统化单芯片(SoC)产品。

事实上，我们很难从不同制造商的激光鼠标外观上看出采用不同技术的分别，几乎任何市面上可见的激光鼠标都贴有护眼标签，当然也会以不可见光红外线而非可见光红外线运作，为了帮助您挑选出正确的激光鼠标，以下我们提供了几个不同的考虑：

外观

人体工学设计，每个用户各有不同的喜好

品牌，部份厂商喜欢将导航传感器的效能与电路设计、生产质量、可靠度、标准兼容性以及安全性的组合搭配加以倡导

使用导航传感器的型式，这是决定鼠标效能、耗电、安全性与可靠度的核心引擎

要找出鼠标中所使用的导航传感器并不容易，消费者必须透过产品评测或者由制造商所提供的信息自行进行效能测试，甚至将鼠标加以拆解来找出所使用的零件，当然这个做法对使用者而言并不实际。

LaserStream商标推广计划

第9篇：光学传感技术范文

关键词 气体传感器；气敏元件；发展趋势

中图分类号：TP212.11 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）11-0000-00

二十世纪六十年代Wickens和Hatman利用气体在电极上的氧化还原反应研制出了世界上第一个气体检测器，而后八十年代年英国Persaud等人提出了利用气体检测器模拟生物嗅觉，这是气体传感器的雏形。

如今气体传感器持续发展，在环境检测和安防领域都有了广泛的应用。随着各种天然气、煤制气、液化气的开发和使用，国内外科研人员开始深入研究可燃气体的检测方法和控制方法，并产生了多种用于气体检测与分析的传感器、仪器仪表等，并大量应用于生产生活中的气体检测与成分分析中。

1 气体传感器概述

气体传感器是气体分析与检测系统的重要组成部分。气体传感器可简述为感知气体并确定其浓度的器件，该器件能够把气体的成分和气体的浓度等信息由非电量转换为电量，从而实现气体的测量。

考量气体传感器的主要指标有以下几个方面。

1.1 稳定性

气体传感器的稳定性是指在整个工作时间内其由被测气体所产生的响应的稳定性，它与零点漂移和区间漂移密切相关。这里的零点漂移是指在被测气体中不含油目标气体的情况下，在规定的时间内气体传感器输出的信号波动；而区间漂移则指在被测气体始终存在的情况下传感器的输出信号波动。理想情况下，气体传感器每年的零点漂移不大于10%

1.2 灵敏度

气体传感器的灵敏度通常是指其输出变化量与被测输入变化量的比值，该指标取决于传感器原理及其内部结构。

这里要提到一种交叉灵敏度，它是测量在干扰气体被引入时，传感器的信号输出变化，这种灵敏度也被称为选择性。这项指标对于多种气体环境下的气体测量是一项重要指标，交叉灵敏度会降低气体检测的可靠性。

1.3 抗腐蚀性

抗腐蚀性主要描述的是气体传感器在高体积分数的待测气体中长期曝露或是在某一气体组分骤然增加时，传感器能够承受的预期的气体体积分数，同时，在回归到常规工况后，传感器能仍然回归到零点附近一定范围值。

以上的传感器指标，基本依赖传感器自身材料的选择和制造工艺来保障。

2 气体传感器分类及其原理

气体传感器主要有电阻和非电阻型半导体式、绝缘体式、电化学式、红外式、石英振荡式、光纤式、声表面波以及气相色谱原理的气体传感器。气体传感器分类方式较多，本文将气体传感器从原理上分为三大类，分别是电化学型、电学型和光学型。

2.1 电化学型

电化学型气体传感器利用了电化学性质的气体传感器，这种气体传感器是生产生活中较为常见的气体感知元件，其中较为常见的是电化学型一氧化碳传感器，其工作原理可表征多数电化学气体传感器，即：通过恒定电位作电化学性氧化还原这一方式，使得气体浓度数据可被电学方法检出。电化学型气体传感器有工作电极与对电极组成，两组电极构成一个电极对，工作时发生放电的电化学反应，工作电极与对电极之间就会产生微弱电流。在其他参数固定的情况下，这个微弱电流值与气体浓度成正比。

电化学方法可以检出含氧元素的气体，如氧气、一氧化碳、二氧化硫等，并被制备成其他形式的传感器、检测器以及各类仪器，如火灾报警器、医学血氧量传感器等。

电化学类气体传感器检测气体时选择性好，灵敏度高，成本较低，这是它的主要优势。而其存在的主要局限有两点，一是在电化学原理致使这种传感器对干扰气体的响应仍然存在，一定程度上造成检测的偏差，所以在实际应用中必须针对传感器所处环境的其他干扰气体进行详细的考虑并进行抗干扰设计；二是这种气体传感器的寿命较短，并不是指校正周期，而是在两年左右旧的传感器探头需要被直接由新制备的传感器探头替换。

2.2 电学型

电学型气体传感器的主要原理是利用了材料的电学特征与气体浓度存在一定关系，这种关系可以直接通过电学方法检出。

电学型气体传感器从大范围上可分为电阻型和非电阻型。其中，电阻型气体传感器包括接触燃烧型、热导型和半导体型气体传感器；非电阻型主要是指利用电流或电压与某种气体浓度存在比例关系的类型，可分为MOS型、场效应管型以及结型二极管型气体传感器。

接触燃烧型电阻气体传感器的测量对象通常为可燃性气体，这些气体在气敏元件的表面进行氧化反应，反应使得元件热量增加，产生电阻阻值变化，通过测量阻值变化即可检出不同浓度的气体。传感器工作温度在400℃左右，待检气体中含有可燃性成分时，由催化剂致使燃烧可在工作温度下发生，此时传感器电阻值增加，因此测量电阻即可实现环境中可燃气体浓度的检测。这种传感器的主要优势是不容易被外界温度影响，其稳定性较高，同时由于电阻值与气体浓度之间的关系几乎呈线性，因此其测量效果好，数据处理方面也不必做太多工作。而接触燃烧型气敏元件的寿命在1年左右，不仅如此，传感器内的催化剂可能会和其他气体发生化学反应使得催化剂失效，因此传感器稳定性也较差。

热导型气敏元件也是用来测量可燃气体的。由于不同的可燃气体，其导热系数与空气存在一定的差异，热导型气敏元件通过电路把导热系数非电量转化为电量来测量，通常是转化为电阻。热导型气体传感器需要气室、热敏电阻和加温器等组成部分，待检气体进入气室后，加温器将热敏电阻加热到某一特定温度，待测气体的热导系数高时，热量在热敏元件上被带走，热敏电阻阻值变小，通过检测电阻来测量气体浓度。

半导体型气体传感器也是一种测量可燃气体的传感器，它的原理是利用半导体材料的表面对气体分子的吸附和脱离作用使得其电导率发生改变这一性质来实现气体检测的。这种传感器应用较为广泛，由于其敏感元件灵敏度、响应速度以及可靠性能方面的指标相比其他气敏元件更优，被作为可燃气体检测的主流传感器。

电阻型半导体气体传感器利用电阻阻值与气体浓度的关系实现气体的检测；非电阻型半导体气敏元件则利用其他电学量，如电流、电压与气体浓度的关系实现气体的检测。半导体气体传感器具有灵敏度高、寿命长、成本低等优点。目前在全世界范围产量巨大，2011年度已经超过了200亿美元。半导体型气体传感器存在的主要问题有三点：一是其对气体的选择性较差，因此扰和错误报警的情况较为常见；二是其输出呈非线性，因此想提高精度并不容易，标定也存在一定困难；三是其长时间放置会发生氧化反应，从而使传感器自动休眠，导致传感器再次遇到被测气体时没有信号输出。

2.3 光学型

光学型气体传感器主要利用了气体的光学特性，主要有直接吸收式和光反应式两种。

红外线原理的气体传感器是最为常见的光吸收式气体传感器，这种传感器利用气体的特征红外吸收光谱来确定气体的组分和浓度，由于不同气体的特征红外吸收光谱存在差异性，且同一气体不同浓度下红外吸光度将随气体浓度的增加而成正比的上升。不同种类的气体具有其各不相同的光谱吸收谱检测气体成分，非分散红外吸收光谱对硫化和碳化气体具有较高的灵敏度。另外紫外吸收、非分散紫外线吸收、相关分光、二次导数、自调制光吸收法对氮、硫化气体和烃类气体具有较高的灵敏度。红外气体传感器较为典型的应用就是七十年代早期的多组分红外线气体检测器，该设备的广泛使用使得光学原理的气体检测在当时备受重视，从而促进了气体传感器的发展。

光离子化法是一种化学分析方法，到今天已经有六十多年的历史。在20世纪五十年代就出现了这种仪器研制成功的相关报道。我国中科院也在20世纪末完成了我国第一台光离子化气体传感器。光离子化传感器由紫外灯和离子室组成，由紫外灯作为光源，透过氟化锂窗作用到被测气体上，此时被测气体在离子室，气体在离子室由于光的作用变为蒸气态，分子吸收光子能量，实现了光离子化作用。光离子化作用发生时产生能量流动（即离子流），该离子流与被测气体的浓度呈线性关系。

光离子化气体传感器种，紫外灯光源在使用过程中对清洁度有较高要求，因此该仪器不适合作为长期在线监测使用。

光离子化气体传感器目前主要应用在微量有机化合物的分析工作中，其中多数应用于有毒有害气体的检测。美国一些化学分析仪器制造公司研制了多款数显光离子化检测器来测量空气中苯系物的浓度，而我国目前只有中国电子科技集团49所拥有有自主知识产权的光离子化气体检测器，相比发达国家其发展速度仍较为缓慢。

3 气体传感器发展趋势

3.1 气敏材料

气敏材料的研究进展对气体传感器发展影响非常大，可以说，气敏材料的研究成果是气体传感器技术进步的基石。近年来，对于新型的气敏材料研究很多，其中，对半导体、陶瓷以及高分子材料的研究颇多。尤其在半导体气敏材料研究方面，各国在大量研究金属氧化物的同时，对一些复合金属氧化物以及混合金属氧化物也进行了大量的研究，取得了一定的进展。

对半导体气敏元件的研究及其主要技术指标的优化，可通过在材料中加入可优化气体传感器灵敏度和响应时间参数的元素来实现，也称为掺杂工艺；同时，还尝试多种催化剂以提高气敏元件的交叉灵敏度；工艺水平的提高也为气体传感器的灵敏度、选择性、稳定性等指标提供了可提升的空间。

目前，应用了催化技术实现的CH4传感器以及半导体PN型气体传感器，很大程度上提高了传感器的各项技术指标。值得一提的是，目前压电晶体和光纤材料已经成为了加工气体传感器的常用材质。

3.2 气体传感器结构及其智能化

气体传感器在结构方面，借助于半导体技术的发展，其传感器结构逐渐由单元件、单一功能发展到了多元件、多功能，例如实现了多个传感器与信号采集与处理电路的整合，使其以小体积芯片的形式封装；同时随着计算机技术的发展，智能气体传感器例如机器嗅觉系统，可完整的实现从识别气体种类、浓度乃至循迹、循源等功能。

机器嗅觉技术结合了传感器技术、数字信号和模拟信号处理技术以及计算机技术，通常机器嗅觉是通过多个气体检测单元有机结合来实现的，能够有效检测气体组分。机器嗅觉技术在二十世纪六十年代年被首次提出，到八十年代美国率先将多个气体传感器组成形成阵列，成功地测量出气体种类和组成，由此开始了机器嗅觉领域的篇章，使得这种综合性气体传感器迅速在多个领域展开应用。

到今天为止，美国、德国、英国等发达国都已经拥有自主研发的机器嗅觉产品，其中，美国IST公司生产的多参数气体检测装置目前已经达到了仅用一台机器即可检出近百种的气体成分的能力。而目前从可获得的资料来看，我国机器嗅觉技术仍处于试验期。

3.3 新型传感器工艺

近年来基于微电子和微机械的快速发展，MEMS技术也取得了较多的研究成果，而对于新型微结构气体传感器的研究虽然有但并不深入，目前主的研究主要针对硅基微结构气体传感器展开。

硅基微结构气体传感器的衬底是硅而敏感层则为非硅材料，主要有金属氧化物半导体、固体电解质型、电容型、谐振器型。MEMS技术将传感器与集成电路结合起来，使其具有体积小、重量轻、结构可靠、准确度高、互换性好和低功耗等优势，尤其是其生产可以完全自动化实现，大大提高了生产效率并降低了制作成本。MEMS是传感器工艺的发展方向，大多数的传感器都能够通过MEMS技术来实现。而近年来纳米技术的发展与MEMS技术同样带给气体传感器更理想的技术支持，给气体传感器更广阔的发展空间，是气体传感器技术革命的重要支撑。

4 结束语

随着环境检测与安全领域对气体检测与分析要求的不断提高，气体传感器也随之不断发展。近年来，随着测试测量技术的发展及传感器智能化技术的发展，基于电化学、电学与光学原理的气体传感器在其自身原理的基础上取得了一定的发展，但是从根本上来讲，推进气体传感器发展的核心还是取决于新材料、新结构和新工艺的发展，如今MEMS技术的发展推进了气体传感器的飞跃发展，相信不久的将来，伴随其他高新技术的发展，气体传感器的发展也将谱写新的篇章。

参考文献

[1]潘小青，刘铁成.气体传感器及其发展[J].华东理工学院学报，2004，27（1）：89-91.

[2]刘崇进，郑大日，陈明光，等.气体传感器的发展概况和发展方向[J].计算机自动测量与控制，1999，7（2）：54-56.

[3]吴孔宝.物理原理在气体检测中的应用[J].物理，1994，123（11）：685-690.

[4]何道清.传感器与传感器技术[M].北京：科学出版社，2003：377-396.

[5]陈艾.敏感材料与传感器[M].北京：化学工业出版社，2004：177-212.

[6]Madnudhara Redy MH. Chandrkaran.1992.Response Study of Electron-Beam Evaporated Thin Film Oxdegas Sensors. Sensors and Actuators，B.9：1-8.

[7]Srczurek A， Szecowka P.M.， Licmmki B.W. .Application of sensor amy and neural networks for quantification of organic solvents vapors in air[J].Sensors and Actuators B，1999（58）：427-432.