CN105980835A - 气体传感器 - Google Patents

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M·德布利基
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P·梅戈尔特
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Abstract

本发明涉及气体传感器，特别涉及用于测量一种或多种气体的存在和/或量的光纤传感器，该气体传感器包括光纤和在该光纤的一部分表面处的气敏检测材料，所述气敏检测材料包含气敏反应物和多孔基质，其中该气敏检测材料当施以待检测气体时在检测波长下经历反射率和/或吸光率的可逆变化。

Description

气体传感器
本发明涉及气体传感器，特别涉及用于测量一种或多种气体的存在和/或量(尤其在环境空气中)的光纤传感器。
背景及现有技术
存在利用各种技术例如电化学、红外、半导体、载体催化传感器和光学技术来检测气体的许多点式传感器。仍然需要改进的气体检测器。
发明概述
按照其一个方面，本发明提供了如权利要求1中所限定的气体传感器。在其它独立权利要求中限定了另外的方面。从属权利要求限定了优选或替代实施方案。
本发明的气体传感器包括光纤，在所述光纤的外表面的一部分处具有气敏检测材料。当暴露于待检测气体时，包含多孔基质和气敏反应物的气敏检测材料在检测波长下经历吸光率和/或反射率和/或折射率的可逆变化。
使用基于光纤的传感器提供了各种优点。在历史上，开发光纤用于数据的长距离传输，随后在对应于二氧化硅纤维的最小损耗的电信波长范围内开发整套技术以制造光源、检测器、光谱分析仪等等。所述基于光纤的传感器可以提供以下的一种或多种：对干扰免疫、在同一纤维上的多个点处询问的可能性、低重量和小体积、灵活性、稳定性、高温耐受性、耐久性、安全性。
该光纤优选是二氧化硅纤维。这提供了低衰减，特别是在本文中所述的优选波长下，这基于成熟的技术，可以用于普通的数据处理设备，并适于数据的长距离传输，尤其是在1300纳米-1700纳米的波长范围内——对应于二氧化硅光纤的低信号损耗的范围。该二氧化硅可以是掺杂二氧化硅。或者，该光纤可以是玻璃纤维或聚合物光纤，例如PMMA(聚(甲基丙烯酸甲酯))光纤。
该光纤优选是单模式光纤，也称为单模光纤。这有助于在长距离上保持保真度，并允许使用具有相当容易使用标准设备来翻译的结构的光谱。或者，该光纤可以是多模光纤。该光纤可以是微结构光纤，尤其是光子晶体光纤、多芯光纤或空芯光纤。
在一个优选实施方案中，该光纤是单模二氧化硅光纤。
该光纤优选包括光学芯和包层，二者均可以是二氧化硅。该芯和/或包层可以各自是均质的。
该气敏检测材料可以以层的形式提供；其优选在1300纳米-1700纳米的波长范围内具有反射率和/或吸光率和/或折射率方面的显著变化。这使其特别适于与光纤一起使用，尤其是二氧化硅类型的光纤。该检测波长可以为300纳米至1700纳米、优选1100纳米至1600纳米、更优选1380纳米至1550纳米。
该光纤的长度可以为至少大约50米、至少大约100米、至少大约500米或至少大约1千米。
该气敏检测材料可以布置在该光纤的尖端处和/或沿该光纤长度在该光纤外部表面的至少一部分处。值得注意的是，该气敏检测材料可以在该光纤包层并未凹进的位置处布置在该光纤的外周面处。多个间隔的气敏检测材料可以沿着该光纤的长度布置。此类材料可以间隔至少5米、至少10米、至少20米、至少50米、至少100米、至少200米或至少500米的距离。
在一个优选实施方案中，该气敏检测材料可以在光栅上，尤其是光纤布拉格光栅(FBG)、长周期光纤光栅(LPFG)或倾斜光纤布拉格光栅，在沿着该光纤长度的位置处布置在该光纤的外表面上。优选地，该光栅是倾斜光纤布拉格光栅；这可以用于内在地提供对温度不敏感的操作。该光栅可以布置在该光纤的芯和/或包层中。
该光纤可以进一步包括结构，其可以将来自光纤芯的光耦合至包层，例如刻纹光纤、D型光纤、通过例如拼接不同直径的光纤制造的锥体或混合干涉结构。这些结构可以将模式和/或消逝波耦合至周边。
当提供多个间隔的气敏检测材料时，各自可以具有其自身相关的光栅并且布置在沿该光纤长度的间隔位置处。这可用于准分布式传感(与单点测量相反)。例如，沿着该光纤的长度可以提供至少5、10或20个间隔的气敏检测材料。可以提供一个或多个温度参照指示器作为该传感器的一部分以便例如能够对温度进行指示和/或补偿，尤其通过光栅提供，该光栅优选具有与气敏检测材料相关的相同类型。
该气敏检测材料的折射率可以为1.3至1.6、优选1.4至1.5。优选地，在气敏检测材料与光纤之间的界面处气敏检测材料的折射率与光纤的折射率之间的差异小于15％、优选小于10％、更优选小于5％，尤其在检测波长处。这减少了在该界面处在检测波长下不期望的反射。
该气敏检测材料可以具有至少50纳米、优选至少500纳米和/或不超过15微米、优选不超过5微米的厚度。特别是在无机和/或溶胶凝胶基质的情况下，该厚度优选为不超过2微米。如果该气敏检测材料太厚的话，可倾向于具有或产生裂纹，或者扩散可过长，导致响应时间提高。如果其太薄的话，尤其是相对于检测波长，吸光率和/或反射率的可逆变化量可太弱以至于不能容易地通过信号处理设备进行检测。
该气敏检测材料和/或气敏反应物在1550纳米的检测波长下可以具有至少5×105m-1.mol-1.l-1、优选至少1×106m-1.mol-1.l-1的摩尔吸光系数。该气敏反应物在650纳米的检测波长下可以具有至少1×106m-1.mol-1.l-1、优选1×107m-1.mol-1.l-1的摩尔吸光系数。
该气敏检测材料可以具有至少2毫米、至少5毫米、至少1厘米、至少5厘米或至少10厘米和/或不超过50厘米、不超过30厘米或不超过20厘米的长度。该气敏检测材料优选围绕该光纤的整个外周延伸。
使用多孔基质作为该气敏检测材料的一部分促进了待检测气体向该气敏检测材料主体中的扩散。这使得待检测气体容易和快速地到达并与气敏检测材料中的气敏反应物相互作用。这改善了该传感器的响应时间。
该多孔基质可以是无机基质，尤其是矿物材料的基质，优选包含二氧化硅或基本由二氧化硅组成。其可以是溶胶-凝胶基质。该多孔基质可以是有机基质，尤其是聚合物基质。其可以是混合型无机/有机基质。优选地，该多孔基质是二氧化硅基质。
该多孔基质，尤其在用气敏反应物浸渍前，可以具有至少25％、优选至少30％和/或不超过70％、优选不超过60％、更优选不超过50％的孔隙率。该孔隙率代表总体积中孔隙的百分比空间。如果浸渍前该多孔基质的孔隙率过低，那么该基质将仅能含有少量的气敏反应物；气敏检测材料中的变化随后将难以用信号处理设备检测。如果浸渍前该多孔基质的孔隙率过高，该多孔基质的机械性质可较低，并且该基质的结构在负载所需量的气敏反应物时可坍塌。
该气敏检测材料可以具有至少15％、优选至少20％和/或不超过60％、优选不超过40％的孔隙率。
该多孔基质的孔隙可以具有至少4纳米、优选至少10纳米或至少20纳米和/或不超过100纳米、优选不超过80纳米的平均直径。优选地，该多孔基质的孔隙具有至少小于检测波长的十分之一的直径。这提供了检测气敏检测材料中的变化的良好均匀性，并降低了检测波长处的散射。
该气敏反应物可以包括镧系双酞菁，例如双酞菁镥(LuPc2)。这提供了可逆的反应物，尤其在环境温度下。此外，其提供了在优选检测波长下具有合适的变化的反应物。优选地，该气敏反应物是化学化合物。
优选地，该气敏反应物是不溶于水的和/或非挥发性的和/或在该传感器的运行温度下稳定，例如大约-30℃至大约45℃；其优选在普通溶剂例如乙醇中是不溶性的，和/或对湿度不敏感，尤其是5-95％的相对湿度。优选地，该气敏反应物对氧O2是非响应性的和/或非反应性的；当该气体传感器用于含氧气态气氛(尤其是空气)中的待检测气体时这特别有用。
该气敏反应物优选以分散在该多孔基质中的固体形式存在，尤其以晶体形式存在。该晶体的直径，尤其对于至少90％的晶体且优选对于平均直径而言，可以是小于50纳米、优选小于30纳米、更优选小于10纳米。这提供了该气敏检测材料的快速响应时间。上文提到的孔隙尺寸的选择有助于获得前述晶体尺寸。
气敏检测材料经历的可逆变化优选是通过该材料暴露于其中的待检测气体量的变化在任一方向上进行的化学反应。优选地，该反应在传感器的运行温度下是可逆的，尤其在-30℃至45℃的温度下。
该气敏反应物可以是中性分子，例如LuPc2，其光谱不同于该分子的氧化形式LuPc2 +的光谱，尤其在优选的检测波长下。当该分子暴露于气体例如NO2时，氧化可以是局部的和平衡的，形成复合物LuPc2 +/NO2 -。没有该气体，这种复合物恢复为初始组成——在这种情况下为LuPc2和NO2。对于LuPc2，在可见光谱中，中性分子为绿色，氧化形式LuPc2 +为红色，还原形式LuPc2 -为蓝色。该气敏反应物可以具有至少三种氧化态，尤其是至少三种稳定的氧化态。该反应在环境大气条件下在没有其他外部影响的情况下可以逆转。反应的速度，尤其是返回不存在待检测气体的条件，可以通过一种或多种外部因素来提高，例如通过将该气敏检测材料暴露于UV辐射，尤其具有小于大约400纳米、优选小于大约380纳米和/或大于10纳米、优选大于100纳米的波长。该气敏检测材料可以借助例如周期性或在需要时引入该光纤并且可以例如通过光栅引导至该气敏检测材料的辐射来暴露于UV辐射。例如，可以通过利用光栅的更高阶模式(例如在UV范围内的更小波长下的谐波，而基础谐波在IR范围内)经由该光纤提供UV辐射。UV辐射可以由导向气敏检测材料外表面的外部UV辐射源(例如UV灯)来提供。该UV辐射可以提供能量以促进或加速还原该气敏反应物的氧化形式。
优选地，该传感器的可逆性使得在：
a)暴露于待检测气体之前的条件；和
b)其中其已经暴露于待检测气体并随后暴露于不包括待检测气体的气氛的条件；
之间该气敏反应物的吸光率和/或反射率和/或折射率之间的差值为小于20％、优选小于10％、更优选小于5％，尤其在检测波长下且尤其在小于8小时的时间、优选小于4小时、小于2小时、小于1小时或小于30分钟的时间之后，在具有或不具有来自外部来源的外部施加能量的情况下，优选在环境气氛条件下且尤其在环境或测试空气中在20℃和1个大气压下。
当该气敏检测材料保持在其中不存在待检测气体的条件中以便变得稳定并随后施以至少10ppm的待检测气体时，在小于10分钟内、优选在小于5分钟内、更优选在小于2分钟内，反射率和/或吸光率和/或折射率的变化可以≥10％。
待检测气体可以包含氧化性气体，尤其是选自氮氧化物(尤其是NO2)、O3及其混合物的氧化性气体。此类检测可用于监控空气中的大气污染。
待检测气体可以包含还原性气体，尤其是选自CO、NH3、甲醛及其混合物的还原性气体。
该传感器可以检测待检测气体的至少1ppb和/或至少5ppb和/或至少20ppb和/或至少100ppb和/或至少1ppm和/或至少10ppm的浓度；其可以检测在1-10ppm范围内的气体的浓度。
有利地，本发明的气体传感器可以检测至少0.01或0.1dB的吸光率或反射率的变化。在其中该传感器检测待检测气体的第一条件与其中不存在待检测气体的第二条件之间在检测波长下该气敏检测材料的光学吸光率或反射率的变化可以为至少0.02、优选至少0.04和更优选至少0.06。
本发明的气体传感器可用于定性和/或定量测量。其可以检测气态气氛中待检测气体的绝对量和/或检测待检测气体量的相对量或量的变化。
该气体传感器可以包括气体过滤器，所述过滤器可以包括活性炭，布置在气体检测材料与气态气氛之间以过滤一种或多种待检测气体和/或降低要通过该气敏检测材料检测的气体的浓度。
机械包装可以包围和/或封盖和/或施加在该气敏检测材料上或该气敏检测材料周围，例如金属格栅或烧结，尤其是陶瓷烧结。该包装可以包括过滤器。例如该包装可以包括具有具备过滤材料的功能表面的烧结材料，或保持过滤器的金属格栅。
该气体传感器可以通过以下方法制造：
在光纤外表面的一部分处沉积该多孔基质；并
随后用至少一种气体可逆性反应物浸渍该至少多孔的基质。
这能够很好地控制该气敏检测材料中气体可逆性反应物的分布。
该气体传感器可以与包括信号处理设备的系统联合使用，所述信号处理设备可以传输和/或检测和/或接收和/或分析检测波长下的信号。该信号处理设备可以包括光源和/或接收器或检测器，例如ASE(放大式自发射)和/或信号分析器，例如OSA(光谱分析仪)。该光源可以包括白光源，例如卤素灯、激光二极管、超发光激光二极管、ASE光源或波长可调激光器。该检测器可以包括一个或多个光电二极管、功率计、光谱分析器和/或光时域反射计。
传输和/或检测的信号可以是非极化的或极化的。当极化时，其优选以P模式极化(其通常提供比S模式更好的灵敏度)，但其可以为S模式。
优选地，该传感器对湿度基本上不敏感。其优选是湿度中性的，也就是说，在具有或不具有来自外部来源的外部施加能量的情况下，在：a)其中在20℃的温度下和在1个大气压的压力下湿度为20％的条件；和b)其中在20℃的温度下和在1个大气压的压力下湿度为80％的条件之间(其中该气体传感器已经暴露于相同量的待检测气体，尤其是在空气中1ppm和/或在空气中0ppm)，该传感器的吸光率和/或反射率之间的差值为小于20％、优选小于10％、更优选小于5％，尤其在检测波长处且尤其在至少8小时的时间后、优选在至少4小时、至少2小时、至少1小时或至少30分钟的时间后。
该传感器优选用在环境空气中，尤其用于测量或监控空气污染物气体。例如其可用在公路隧道、停车场、仓库大厅、地板缝隙、电缆管道或下水道中。其可用于气体泄漏检测或在大型开放空间中用于检测或监控。当具有多个间隔的气敏检测材料的单一光纤用于空气污染和/或气体检测时，其提供了易于安装和成本有效的用于大面积的系统。
附图说明
图1是显示气体传感器的示意性剖面图(不按比例)；
图2是显示替代气体传感器的示意性剖面图(不按比例)；
图3显示了多孔基质的TEM(透射电子显微镜)图像；
图4、5、6和7是显示气体传感器的响应的图。
图8是显示非本发明的材料的响应的图。
优选实施方案描述
实施例1
图1中所示的光纤(2)包括包层(12)和芯(11)，并且是由DowCorning制造的标准单模光纤。该芯在500纳米的波长下具有1.45的折射率。
厚度为大约1微米的气敏检测材料(14)布置在该光纤(2)的尖端(13)的表面上。宽带ASE光源(未显示)连接在该光纤的另一端上，并发射1200纳米至1800纳米不等的入射波长光谱(3)。反射光谱后接OSA(光谱分析仪)装置。显示在图4中的光谱的分辨率为1皮米(pm)。该检测波长为1540纳米。
在含有受控测试空气的气体室中，该传感器固定在由测试空气组成的气体流中。该测试空气由大约79％的氮气N2和大约21％的氧气O2组成。为了测试，该气态气氛保持在20℃的温度、大约1个大气压的压力和小于5％的相对湿度下。随后向导向该气体室内部的传感器的测试空气流中引入3ppm的浓度的NO2。对反射光谱进行分析并提供NO2气体浓度的指示。反射率的结果显示在图4和图5中。
实施例2
在图2中显示的实施例中，该气敏检测材料(14)在倾斜光纤布拉格光栅(20)上在沿着光纤长度的位置处布置在该光纤的外表面上。
各自具有其自身相关的倾斜光纤布拉格光栅的一个或多个附加气敏检测材料(未显示)可以沿着该光纤的长度布置在间隔位置处。
来自经该光纤发射波长光谱为1200纳米至1800纳米不等的(3)的宽带ASE光源的反射光谱后接OSA(光谱分析仪)装置。
在各实施例中，该气敏检测材料包括多孔基质，其由多孔二氧化硅组成，所述多孔二氧化硅通过溶胶-凝胶法沉积并具有50纳米的平均孔隙直径，所述多孔二氧化硅浸渍有双酞菁镥(LuPc2)。该LuPc2填充大约33％的孔隙体积。这些实施例中的气敏检测材料具有容易测量的在1550纳米下大约0.06的吸光率；变化的量级为0.02至0.06。该LuPc2在1550纳米下具有大约1.2×106m-1.mol-1.l-1的摩尔吸光系数，在650纳米下具有大约3.0×107m-1.mol-1.l-1的摩尔吸光系数。
图3显示多孔基质的图像。如由显示50纳米的比例尺可以看出，该多孔基质的孔隙的平均直径为4至6纳米。
图4显示了实施例1的气体传感器随波长而改变的反射率(dB)。各曲线显示了在传感器暴露于测试空气中3ppm的NO2的混合物之后在不同的时间延迟之后测得的反射率。曲线(40)是0分钟处的反射率的曲线，即保持在不含NO2的测试空气中时的稳定条件，曲线(41)是连续暴露于由测试空气中3ppm的NO2混合物组成的气体流10分钟之后该反射率的曲线，而居中的曲线是在0至10分钟之间在连续的一分钟间隔处的反射率。在检测波长的优选范围(1500纳米至1600纳米)中显示该反射率。例如，在1536纳米的检测波长下曲线(40)与曲线(41)之间的反射率的变化为大约2dB。
图5显示了在1540纳米的检测波长下，施以以下循环的气体传感器的反射率(dB)的经时演化：
i)暴露于测试空气中3ppm的NO2的混合物一段短暂的时间(大约15分钟)，例如在50处指示的位置处开始
ii)随后保持在不含NO2的测试空气流中，例如在50’处指示的位置处开始。
恰好在所示第二周期开始之前，在测试空气中大约85分钟后，在51处所示反射率已经恢复到在50处的初始反射率的大约90％。随后开始第二周期，该传感器再次暴露于包含在测试空气中3ppm的NO2的混合物的气体流大约15分钟，在此过程中，在将气体流切换回到不存在NO2的测试空气之前该反射率再次升高，导致反射率在大约85分钟之后回落到大致51处所示的值。
图6和图7显示了在三种不同状态下该气体传感器的吸光率的波长：
-曲线61：暴露于测试空气(不存在NO2)
-曲线62：连续暴露于测试空气中10ppm的NO2的混合物之后2分钟
-曲线63：在随后暴露于测试空气(不存在NO2)之后8小时。
曲线62所显示的在波长1200-1600纳米中吸光率的变化允许在这些波长下进行监控。
图8显示了在三种不同状态下LuPc2的固体层(即未保持在多孔基质中)的吸光率的波长：在测试空气中，在连续暴露于10ppm的NO2之后10分钟，在连续暴露于NO2之后110分钟。光学变化极小，因此难以检测。

Claims (18)

1.气体传感器，包括光纤和在所述光纤的一部分表面处的气敏检测材料，所述气敏检测材料包含在多孔基质中的气敏反应物，其中所述气敏检测材料当暴露于气态气氛中、尤其在环境空气中的待检测气体时在检测波长下经历反射率和/或吸光率的可逆变化。
2.如权利要求1所述的气体传感器，其中所述气敏反应物包含镧系双酞菁，尤其是双酞菁镥(LuPc2)。
3.如任一前述权利要求所述的包括光纤，尤其是二氧化硅纤维的气体传感器，用于检测气态气氛中，尤其是环境空气中的气体，并尤其在-30℃至45℃的温度下，其中待检测气体选自：氮氧化物、NO2、O3、CO、甲醛、NH3及其混合物。
4.如任一前述权利要求所述的气体传感器，其中待检测气体包括氧化性气体，尤其是选自氮氧化物、NO2、O3及其混合物的氧化性气体。
5.如任一前述权利要求所述的气体传感器，其中待检测气体包括还原性气体，尤其是选自CO、甲醛、NH3及其混合物的还原性气体。
6.如任一前述权利要求所述的气体传感器，其中所述多孔基质的孔隙具有4-100纳米的平均直径。
7.如任一前述权利要求所述的气体传感器，其中所述气敏检测材料具有20-60％的孔隙率。
8.如任一前述权利要求所述的气体传感器，其中当所述气敏检测材料暴露于至少10ppm的待检测气体时，所述气敏检测材料在检测波长下的反射率和/或吸光率的变化在小于10分钟内≥10％、优选在小于5分钟内≥10％、更优选在小于2分钟内≥10％。
9.如任一前述权利要求所述的气体传感器，其中在所述气敏检测材料和所述光纤之间的界面处的所述气敏检测材料的折射率和所述光纤的折射率之间的差异在所述检测波长下为小于10％。
10.如任一前述权利要求所述的气体传感器，其中所述检测波长为300纳米至1700纳米、优选1100纳米至1600纳米、更优选1380纳米至1550纳米。
11.如任一前述权利要求所述的气体传感器，其中所述气敏检测材料的厚度为50纳米-15微米。
12.如任一前述权利要求所述的气体传感器，其中所述光纤包括多个间隔的检测区，各检测区包括在所述光纤的一部分表面处的气敏检测材料和相关的光栅，尤其是光纤布拉格光栅(FBG)、长周期光纤光栅(LPFG)或倾斜光纤布拉格光栅(TFBG)。
13.如任一前述权利要求所述的气体传感器，其中所述气体传感器在所述气敏检测材料与所述气态气氛之间进一步包括气体过滤器，所述过滤器适于相对于气态气氛中存在的待检测气体的浓度降低与所述气敏检测材料接触的待检测气体的浓度。
14.如权利要求13所述的气体传感器，其中所述气体过滤器包括活性炭。
15.如任一前述权利要求所述的气体传感器，其中所述光纤是二氧化硅光纤。
16.制造任一前述权利要求的气体传感器的方法，包括以下步骤：
在所述光纤的一部分外表面处沉积所述多孔基质；和
随后用所述气敏反应物浸渍所述多孔基质。
17.检测气态气氛中的气体的方法，包括：
在气态气氛中布置如权利要求1至15任一项所述的气体传感器；
通过所述光纤传输包括至少一种检测波长的入射光谱；
收集反射光谱和/或透射光谱的至少一部分；
在至少一种检测波长处将所述反射率和/或反射光谱的至少一部分与入射光谱进行比较。
18.如权利要求17所述的检测气体的方法，包括将所述气敏检测材料暴露于待检测气体，随后对其施以UV辐射。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106289340A (zh) * 2016-11-02 2017-01-04 中国计量大学 一种基于tfbg‑spr的多通道光纤传感器
CN106896186A (zh) * 2016-07-14 2017-06-27 摩瑞尔电器（昆山）有限公司 检测气体的新材料及其检测方法
CN108254417A (zh) * 2018-01-04 2018-07-06 广东美的制冷设备有限公司 空气检测装置、空气质量检测方法和计算机可读存储介质
CN110832306A (zh) * 2017-05-22 2020-02-21 艾克斯-马赛大学 用于检测和量化挥发性化合物的光学装置
CN111812060A (zh) * 2020-06-19 2020-10-23 中国矿业大学 一种甲烷浓度检测系统
CN112557308A (zh) * 2019-09-25 2021-03-26 爱思开海力士有限公司 电子装置

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106959161B (zh) * 2017-02-23 2018-05-08 中国科学院上海光学精密机械研究所 利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统实现消除大气湍流的方法
WO2019043297A1 (en) * 2017-08-31 2019-03-07 Tty-Säätiö Sr OPTICAL SENSOR
CN108152220B (zh) * 2018-01-05 2023-10-13 中国计量大学 基于双c型微型空腔的敏感膜内嵌式光纤氢气传感器
CN114136924B (zh) * 2021-11-30 2024-01-26 哈尔滨理工大学 MXene与GMM包覆气体和磁场测量光纤传感器

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2124473U (zh) * 1992-06-05 1992-12-09 机械电子工业部第二十三研究所 光纤型一氧化碳检测报警器
CN1069575A (zh) * 1991-08-20 1993-03-03 成都科技大学 光纤气体化学传感器
US5610393A (en) * 1995-07-24 1997-03-11 The Aerospace Corporation Diode laser interrogated fiber optic reversible hydrazine-fuel sensor system and method
US20050089260A1 (en) * 2003-10-27 2005-04-28 Mechery Shelly J. Optical sensing elements for nitrogen dioxide (NO2) gas detection, a sol-gel method for making the sensing elements and fiber optic sensors incorporating nitrogen dioxide gas optical sensing elements
CN1902476A (zh) * 2003-11-26 2007-01-24 贝克顿·迪金森公司 用于检测分析物的光纤装置
CN202048987U (zh) * 2011-04-12 2011-11-23 重庆医科大学 基于光纤束的尿液分析仪的颜色采集器
CN102439427A (zh) * 2009-04-10 2012-05-02 荷兰能源建设基金中心 光学检测气体的设备和方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1069575A (zh) * 1991-08-20 1993-03-03 成都科技大学 光纤气体化学传感器
CN2124473U (zh) * 1992-06-05 1992-12-09 机械电子工业部第二十三研究所 光纤型一氧化碳检测报警器
US5610393A (en) * 1995-07-24 1997-03-11 The Aerospace Corporation Diode laser interrogated fiber optic reversible hydrazine-fuel sensor system and method
US20050089260A1 (en) * 2003-10-27 2005-04-28 Mechery Shelly J. Optical sensing elements for nitrogen dioxide (NO2) gas detection, a sol-gel method for making the sensing elements and fiber optic sensors incorporating nitrogen dioxide gas optical sensing elements
CN1902476A (zh) * 2003-11-26 2007-01-24 贝克顿·迪金森公司 用于检测分析物的光纤装置
CN102439427A (zh) * 2009-04-10 2012-05-02 荷兰能源建设基金中心 光学检测气体的设备和方法
CN202048987U (zh) * 2011-04-12 2011-11-23 重庆医科大学 基于光纤束的尿液分析仪的颜色采集器

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106896186A (zh) * 2016-07-14 2017-06-27 摩瑞尔电器（昆山）有限公司 检测气体的新材料及其检测方法
CN106289340A (zh) * 2016-11-02 2017-01-04 中国计量大学 一种基于tfbg‑spr的多通道光纤传感器
CN110832306A (zh) * 2017-05-22 2020-02-21 艾克斯-马赛大学 用于检测和量化挥发性化合物的光学装置
CN110832306B (zh) * 2017-05-22 2023-07-04 艾克斯-马赛大学 用于检测和量化挥发性化合物的光学装置
CN108254417A (zh) * 2018-01-04 2018-07-06 广东美的制冷设备有限公司 空气检测装置、空气质量检测方法和计算机可读存储介质
CN112557308A (zh) * 2019-09-25 2021-03-26 爱思开海力士有限公司 电子装置
CN112557308B (zh) * 2019-09-25 2023-08-25 爱思开海力士有限公司 电子装置
CN111812060A (zh) * 2020-06-19 2020-10-23 中国矿业大学 一种甲烷浓度检测系统

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