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基于FPGA的倏逝波型光纖氣體檢測研究

作者： 時(shí)間：2011-08-15 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò ) 收藏

光沿著(zhù)z軸正方向傳播，倏逝波分配區域為敏感元區，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：
a.jpg
b.jpg
式(3)中E2表示倏逝波沿x方向呈指數規律衰減，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。當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(chēng)Zm為透射深度：
c.jpg
式(4)中的λ1為傳輸光的波長(cháng)。
當吸收介質(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、光強也會(huì )變化，同時(shí)透射深度Zm也會(huì )改變，根據這些變化能進(jìn)一步建立傳感器輸出光信號與被測氣體類(lèi)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，根據比爾-朗伯吸收定律有：
g.jpg
式(5)中的I0(λ)為初始光強，I(λ)為經(jīng)過(guò)待測氣體后的光強，aλ為介質(zhì)的吸收系數，L為氣室的長(cháng)度，C為待測氣體的濃度。

2 氣體傳感頭設計
倏逝波光纖氣體傳感器是基于漸逝場(chǎng)理論，由于光透入光疏介質(zhì)中能量相對比較少，倏逝波型光纖氣體傳感器的光纖傳感部分要經(jīng)過(guò)特殊設計加工來(lái)提高靈敏度。在實(shí)際檢測氣體應用中，要考慮傳感頭結構、工作環(huán)境、工作狀態(tài)等因素，可采用如下兩種倏逝波光纖氣體傳感頭結構。
2．1 內腔傳感器
內腔傳感器主要結構如圖2所示。光源采用可調諧紅外激光器，激光通過(guò)聚焦透鏡將光聚合到光纖中，順著(zhù)光纖經(jīng)過(guò)充滿(mǎn)待測氣體的腔，根據倏逝波效應和氣體吸收光譜效應，光強發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)輸出透鏡，由光電探測器接受，然后數據處理得出氣體濃度信息，完成傳感過(guò)程。采用小型采樣氣室設計，通過(guò)紅外可調諧激光，利用倏逝波原理，并結合氣體在紅外波段的吸收光譜理論。小氣室設計適合向便攜式氣體傳感器發(fā)展，可調諧紅外激光則滿(mǎn)足對不同氣體測量的需要。

本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/191072.htm

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