基于FPGA的倏逝波型光纖氣體檢測(cè)研究

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　　隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染與溫室效應(yīng)日益嚴(yán)重，環(huán)境與生態(tài)保護(hù)對(duì)氣體檢測(cè)系統(tǒng)與技術(shù)提出了迫切需求。近年來(lái)，隨著光纖傳感技術(shù)的快速發(fā)展，光纖氣體傳感器研究在國(guó)內(nèi)外受到廣泛重視。光纖氣體傳感器以光波為測(cè)量信號(hào)載體，對(duì)被測(cè)環(huán)境干擾小，可適應(yīng)各種環(huán)境。

　　光纖倏逝波型氣體探測(cè)器是一種新型氣體傳感器，它是利用待測(cè)氣體與光纖中傳輸光場(chǎng)的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體傳感的。倏逝波型傳感器與其它光纖氣體傳感器相比，具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低、可交叉分辨和形成分布式傳感等優(yōu)點(diǎn)。

　　倏逝波型光纖氣體傳感器憑借其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用潛力，在氣體檢測(cè)中嶄露頭角，引起人們的重視與研究，出現(xiàn)了多種特殊構(gòu)造的光纖傳感元，以提高其靈敏度及響應(yīng)速率。一種典型的倏逝波光纖氣體傳感器是D形光纖氣體傳感器。1992年，Culshaw.B等人通過(guò)去掉普通光纖部分包層形成D形光纖，并直接檢測(cè)甲烷在1.66μm波長(zhǎng)附近的吸收，其甲烷檢出限為100×10-6。另外一種典型的倏逝波光纖氣體傳感器是錐形光纖傳感器。1987年，Hideo Tai首先把錐形光纖應(yīng)用于甲烷傳感，將直徑為125μm的多模光纖加熱拉伸，形成長(zhǎng)度和直徑分別為5～10nm和1.8μm的傳感區(qū)域，得到了1%的靈敏度。2003年，Villatoro.J等人研究了緩刑鈀膜錐形光纖氫氣傳感器。除單模錐形光纖外，Villato-ro.J等人將振蕩火焰加熱法用于多模錐形光纖制作;Espada LI等人以有機(jī)硅聚合物作為錐形光纖敏感膜，開(kāi)展了氨氣和二氧化碳檢測(cè)的研究工作，當(dāng)傳感器錐形區(qū)域長(zhǎng)度縮短時(shí)，傳感器靈敏度增加，響應(yīng)時(shí)問(wèn)縮短至秒級(jí)。

　　隨著發(fā)展，出現(xiàn)了多種不同倏逝波型光纖氣體傳感器，如纖芯裸露形光纖傳感器，取出石英纖芯塑料包層(PCS)光纖的塑料包層或去除普通光纖石英包層;纖芯失配形光纖傳感器，將一段單模光纖的兩端分別熔接在多模光纖上：微結(jié)構(gòu)光纖傳感器，微結(jié)構(gòu)光纖又稱為光子晶體光纖或多孔光纖，這類光纖是在纖芯周圍沿著軸向規(guī)則排列微小空氣孔構(gòu)成的，通過(guò)這些微小空氣孔對(duì)光的約束，實(shí)現(xiàn)光傳導(dǎo)。國(guó)內(nèi)運(yùn)用倏逝波原理研制了一些傳感器，如生物傳感器，它利用熒光效應(yīng)加上倏逝波原理。

　　而倏逝波型光纖傳感器用在氣體檢測(cè)這一方面的研究，我國(guó)還在起步階段。2008年黑龍江大學(xué)就基于倏逝波原理作了瓦斯氣體傳感器研究，研制出特別傳感頭，其特殊購(gòu)置纖芯直徑為800μm的大孔徑多模粗光纖，將光纖探頭的端頭傾斜角度磨成45°，兩根同樣光纖端頭平行放置在一起，并使端頭距離控制在波長(zhǎng)量級(jí)，可得到5×10-4的靈敏度。

　　1 基本原理

　　光纖倏逝波型氣體傳感器基于漸逝場(chǎng)原理，即將一小段光纖剝?nèi)グ鼘?，置于被測(cè)環(huán)境中，作為敏感元。當(dāng)光在光纖中傳播時(shí)，會(huì)在纖芯(高折射率介質(zhì))與包層(低折射率介質(zhì))的分界面上發(fā)生全反射。實(shí)際上，并非所有的光都反射回去的，有一部分的光會(huì)透射進(jìn)低折射率的介質(zhì)中，形成一種不同于在高折射率介質(zhì)中傳播的傳輸波。它是一種振幅隨著透射深度按指數(shù)形式衰減的點(diǎn)傳輸波，稱之為倏逝波，如圖1所示。

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　　光沿著z軸正方向傳播，倏逝波分配區(qū)域?yàn)槊舾性獏^(qū)，Zm為倏逝波的穿透深度。n1為纖芯的折射率，n2為吸收介質(zhì)的折射率。θ1為從纖芯入射到吸收介質(zhì)的入射角。若從纖芯折射入吸收介質(zhì)的折射角為θr，由斯涅爾定律和全反射條件可得到：

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　　式(3)中E2表示倏逝波沿x方向呈指數(shù)規(guī)律衰減，而在z方向是一個(gè)行波場(chǎng)。E20為進(jìn)入吸收介質(zhì)前的初始場(chǎng)強(qiáng)。當(dāng)倏逝波的振幅衰減到界面處的e-1倍時(shí)，這時(shí)的徑向深度稱Zm為透射深度：

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　　式(4)中的λ1為傳輸光的波長(zhǎng)。

　　當(dāng)吸收介質(zhì)中的氣體濃度發(fā)生變化時(shí)，其折射率n2將發(fā)生改變，由式(3)(4)可知，倏逝波的振幅、光強(qiáng)也會(huì)變化，同時(shí)透射深度Zm也會(huì)改變，根據(jù)這些變化能進(jìn)一步建立傳感器輸出光信號(hào)與被測(cè)氣體類型和濃度的關(guān)系。

　　基于以上倏逝波原理，同時(shí)考慮氣體光譜吸收理論，根據(jù)比爾-朗伯吸收定律有：

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　　式(5)中的I0(λ)為初始光強(qiáng)，I(λ)為經(jīng)過(guò)待測(cè)氣體后的光強(qiáng)，aλ為介質(zhì)的吸收系數(shù)，L為氣室的長(zhǎng)度，C為待測(cè)氣體的濃度。