光电液位传感器

燃气行业安全现状燃气行业作为城市生命线之一，关系民生和社会经济运行，截至2022年底，全国城市燃气普及率为98.05%。随着其广泛应用，燃气安全的风险也日益凸显。基于当前我国燃气安全现状，2023年8月国务院安全生产委员会印发《全国城镇燃气安全专项整治工作方案》，要求全链条整治城镇燃气安全风险隐患，推进城市生命线安全工程建设。燃气安全问题分析导致燃气事故发生的原因错综复杂，包括管网老化泄漏、企业生产经营不规范、燃气具不合标等。我国城市燃气管道多处于地下环境中，地下环境错综复杂，管道监测管理难度大。管道老化、地形塌陷或第三方施工作业的无意破坏都有可能造成管道泄漏，危及人身安全。初步统计，现在全国已经有近10万公里管道出现不同程度的老化，再加上当时建设标准较低，日常维护、保养、更新不及时，风险挑战非常大。因此，对燃气管道泄漏进行快速而准确的监测有利于更快发现泄漏点，避免事故的发生。并且在工商业燃气使用过程中，符合安全标准的监测设备也能有效降低燃气事故风险，保障燃气安全。TDLAS检测技术优势甲烷传感器作为燃气泄漏设备的重要组成部分，可以监测CH4气体浓度，预防燃气泄漏事故的发生。目前市场上有多种CH4检测方法，其中TDLAS法是利用半导体激光器通过CH4在近红外波长处的吸收带进行检测，1.65μm波长光谱带中除CH4出现吸收峰，H2O和CO2在内的一些气体在这个波长周围均没有出现明显的吸收，使得测量时不受其他气体和水汽的影响。所以采用TDLAS技术的甲烷传感器具有受环境湿度影响小，气体选择性强、响应速度快和稳定性高等优势。图1 近红外波段的甲烷吸收谱线 图2 近红外波段的二氧化碳和水蒸气吸收谱线四方光电低功耗激光甲烷传感器Gasboard-2501-05F低功耗激光甲烷传感器是由四方光电自主研发的高性能气体分析传感器。基于可调谐激光吸收光谱技术，采用高性能探头、特殊工艺处理气室，具有精度高、灵敏度高、寿命长、性能稳定等特点，使用温度补偿算法，不受使用环境干扰，可在恶劣工况、复杂气体环境下稳定工作。产品采用模块化设计，安装方便。能通过TTL通讯接口对产品进行校准、标定等操作，低功耗设计，便于客户进行维护与集成。广泛应用于地下管廊（网）、 地下井室、调压柜和工业燃气泄漏等领域。

p 　　根据“两会”期间公布的2020年政府工作报告，今年要实现单位国内生产总值能耗和主要污染物排放量继续下降 深化重点地区大气污染治理攻坚 要打好蓝天、碧水、净土保卫战，实现污染防治攻坚战阶段性目标。 br/ /p p 　　2020年是打赢蓝天保卫战、“十三五”规划的全面收官之年，我国大气污染治理进入攻坚“深水期”，剩下的都是难啃的“硬骨头”。作为一直以来的重点和难点，扬尘污染治理已然成为大气污染防治目标完成与否的关键点之一。 /p p 　　扬尘治理，需对症下药 而把脉问诊，监测为先。高性能的扬尘传感器对实现扬尘全面监测、精准治理、降低成本等多方面的重要性不言而喻。 /p p 　　 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong 扬尘传感器的需求及应用现状 /strong /span /p p 　　行业发展初期，扬尘监测设备多基于β射线吸收法，然而受仪器体积较大、成本高昂等因素掣肘，量大面广的需求无法得到真正满足。 /p p 　　基于光散射原理的粉尘传感器，在民用室内检测应用中，经历了从采用LED光源和扩散式采样，用于粉尘浓度变化的趋势检测，到升级为激光光源和风扇采样，可以精确检测PM2.5数值的创新发展过程。然而针对室外扬尘监测还需要PM10和TSP的精准监测要求，则无法得到满足。 /p p 　　因此，能够同时准确测量PM2.5/PM10/TSP、体积小、购买和维护成本低成为了扬尘监测设备配套传感器面临的主要挑战。 /p p 　　 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong 室外扬尘颗粒物监测的技术难点 /strong /span /p p 　　① 与β射线原理的设备保持较高的线性相关性 /p p 　　国站监测设备采用的是β射线原理，其他的扬尘监测站的监测数据必须要与其保持高度一致性，但由于原理上的差异，要做到这一点，传感器需要采用更高性能的器件，有效提升颗粒物识别的能力。 /p p 　　② 满足室外-30℃~70℃的工作温度要求 /p p 　　温度对传感器激光管的影响非常大，然而室外温度范围更宽，夏天在太阳下暴晒，温度可能会到达70℃ 冬天北方严寒地区最低温度可能达到零下30℃。这就要求传感器在此温度下不仅能够正常工作，还要确保检测的准确性。 /p p 　　③检测精度不受水雾影响 /p p 　　由于室外环境经常会遇到凝霜与露水的情况，这些水汽进入到传感器后会严重影响到传感器的测量值，甚至会造成传感器永久损坏。 /p p 　　④长期使用，精度不受积灰影响 /p p 　　扬尘传感器工作在室外，大颗粒的灰尘经过传感器采样风道内会受到重力影响附着在传感器内部，长期使用，会使得灰尘在传感器内部大量堆积，影响到测量准确性。 /p p 　　 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong 四方光电激光扬尘传感器的技术特点 /strong /span /p p 　　四方光电基于创新的光散射技术研究，陆续推出红外粉尘传感器、激光粉尘传感器等系列传感器产品，广泛应用于室内、室外及车内检测等领域。 /p p 　　在此基础上，四方光电针对扬尘传感器的应用场景，以及不同地方标准需求，推动技术革新升级，成功研发扬尘颗粒物传感器PM3003S及 PM3006。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/578caa97-49a6-4d7e-9c5f-e5fc398bc203.jpg" title=" 222_副本.jpg" alt=" 222_副本.jpg" / /p p style=" text-align: center " 图1：PM3006S(左)及 PM3006(右)激光扬尘传感器 /p p 　　 strong 1、 扬尘颗粒物智能识别技术(API技术) /strong /p p 　　PM3003S，PM3006采用了独特的API(Auto Particle Identification，自动颗粒识别)技术，在多种尘源下进行标定，根据检测到的颗粒物分布进行自动判断，确保PM2.5、PM10和TSP的检测精度。 /p p style=" text-align: center" img style=" width: 580px height: 393px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/bb9423a3-a58f-4a20-924e-5ae69424f42a.jpg" title=" 11.jpg" width=" 580" height=" 393" border=" 0" vspace=" 0" alt=" 11.jpg" / /p p style=" text-align: center" img style=" " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/8ddb10c0-114d-496b-bd0c-6b33eaad613f.jpg" title=" 22.jpg" / /p p 　　 strong 2、 高温、恒功率、线型激光管 /strong /p p 　　PM3003S、 PM3006激光扬尘传感器采用了工作温度在-30~70℃的恒功率、线型光源，其光功率高达100mW，相比点光源高出20倍以上，原始信号更强，大大提升了颗粒物的识别效率。同时对光源采用了恒功率控制，保证原始信号的稳定输出，确保测量的稳定性。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/e6860d1a-bc80-4215-b684-13ef739fa43c.jpg" title=" 33_副本.jpg" alt=" 33_副本.jpg" / /p p style=" text-align: center " 图2：室外扬尘传感器与民用粉尘传感器光源差别，左：高功率线型光源，右：低功率点光源 /p p 　　 strong 3、 自带除水雾装置，不受水汽影响。 /strong /p p 　　四方光电研制的PM3003S、 PM3006激光扬尘传感器前端配套了除湿装置，防止室外环境中细小的水珠进入检测气室，消除水汽对扬尘传感器的精度影响。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/0c10a2cf-ddd2-450c-bf4b-330c21a12571.jpg" title=" 44_副本.jpg" alt=" 44_副本.jpg" / /p p 　　 strong 4、 创新结构设计，长效防积灰。 /strong /p p 　　PM3003S、 PM3006激光扬尘传感器通过流体力学仿真对采样风道进行了长效防积灰结构设计，经过实际验证，可以减少室外环境对传感器检测精确度的影响，降低后期维护成本。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202006/uepic/efa66063-7146-489b-88b2-af426b89892a.jpg" title=" 66.jpg" alt=" 66.jpg" / /p p 　　我国室外扬尘网格化监测经历了早期的β射线吸收法，到采用民用净化器大量应用的激光粉尘传感器的过程。在使用过程中发现，民用的激光粉尘传感器不仅不能满足-30~70℃室外环境温度的全天候使用要求，同时还必须面对监测场所，特别是建设工地经常喷洒降霾的水雾影响，或者下雨潮湿的气候环境等。这种环境下，水雾经常被判断为严重雾霾造成爆表。同时网格化室外粉尘监控希望得到局部的可以与国家大气环境监测网数据具备的PM2.5/PM10/TSP的多项参数对比， 民用激光传感器由于激光功率小，采样流量小， PM10分辨率很低，无法提供准确的PM10, 通常采用根据PM2.5的数字进行比例计算，造成PM10监测数据失真。四方光电研制的PM3003S、 PM3006激光扬尘传感器通过采用宽温型大功率线型激光光源、API粉尘自动识别技术、先进的流道设计实现抗污染、大流量车规级采样机构、高湿度环境的水雾去除装置等，低成本地实现了对室外扬尘粉尘与β射线吸收法达到0.9相关系数的高精度测量。 /p p br/ /p

近日，上海微系统所传感技术国家重点实验室采用微纳加工技术制备了一种基于氮空位（NV）色心的微型光电一体化集成钻石量子磁传感器。相关研究成果于2022年5月9日以“Amicrofabricatedfiber-integrated diamond magnetometer with ensemble nitrogen-vacancy centers”为题发表在当期的Applied Physics Letters上。 钻石，不仅可以作为珠宝装饰品，更是具有极高研究价值的新型量子材料。氮空位缺陷——NV色心，是钻石晶体结构中最常见的点缺陷，由氮原子取代碳原子和相邻空穴而形成，利用其在磁场中的量子顺磁共振效应及荧光辐射特性可以进行精密磁测量。NV色心在常温下也具有稳定的量子态，可以在非制冷的室温下工作。同时，钻石量子磁传感器以其高空间分辨率、高灵敏度、高生物兼容性等技术优势，在近场微观磁共振、磁异常探测、生命科学等领域具有重要的应用前景。 小型化、集成化、便携化是钻石量子传感器取得实际应用的重要条件。该团队基于晶圆级微机电工艺平台，利用标准微纳加工技术，制备出钻石量子磁传感器的核心——钻石芯片。芯片内部集成了微波辐射结构，实现了原位微波量子态操控。采用金属热压键合技术实现了钻石单晶与硅晶圆的异质集成，确保了机械稳定性。钻石芯片耦合带有梯度变化折射率透镜的光纤模块，实现了“光进光出”的工作模式，大大缩小了探头尺寸，实现了钻石磁强计探头的高集成度。并进一步指出，采用双频共振技术可以同时进行磁场和温度场的同步实时测量，不仅通过温漂抑制提高了磁场测量的信噪比，还确保了传感器的温度稳定性。 该团队提出的制备工艺可以在晶圆级进行拓展，具有批量化制备的潜力，为建立高一致性、高灵敏度的可穿戴传感器阵列提供了可能性。目前钻石量子磁传感器整体尺寸仅有20×15×1.5 mm3，灵敏度达到2.03nT/√Hz。同时，该钻石磁传感器可以对小于0.5 mm（甚至更小）的目标区域进行近距离测量，具有在心磁、脑磁等弱磁信号探测场景的应用潜力，为后续实用化的可穿戴生物磁传感器提供了良好的研究基础。 该论文的第一作者单位和通讯单位为中科院上海微系统所，第一作者为博士研究生谢非，通讯作者为武震宇研究员和陈浩副研究员。该工作得到中国科学院战略性先导科技专项（XDC07030200）、国家重点研发计划（2021YFB3202500）、中科院科研仪器装备研制（YJKYYQ20190026）等项目的支持。 论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0089732