基于FPGA的倏逝波型光纤气体检测研究

　　随着现代经济的快速发展，环境污染与温室效应日益严重，环境与生态保护对气体检测系统与技术提出了迫切需求。近年来，随着光纤传感技术的快速发展，光纤气体传感器研究在国内外受到广泛重视。光纤气体传感器以光波为测量信号载体，对被测环境干扰小，可适应各种环境。

　　光纤倏逝波型气体探测器是一种新型气体传感器，它是利用待测气体与光纤中传输光场的相互作用来实现气体传感的。倏逝波型传感器与其它光纤气体传感器相比，具有结构相对简单、成本较低、可交叉分辨和形成分布式传感等优点。

　　倏逝波型光纤气体传感器凭借其独特优点与应用潜力，在气体检测中崭露头角，引起人们的重视与研究，出现了多种特殊构造的光纤传感元，以提高其灵敏度及响应速率。一种典型的倏逝波光纤气体传感器是D形光纤气体传感器。1992年，Culshaw.B等人通过去掉普通光纤部分包层形成D形光纤，并直接检测甲烷在1.66μm波长附近的吸收，其甲烷检出限为100×10-6。另外一种典型的倏逝波光纤气体传感器是锥形光纤传感器。1987年，Hideo Tai首先把锥形光纤应用于甲烷传感，将直径为125μm的多模光纤加热拉伸，形成长度和直径分别为5～10nm和1.8μm的传感区域，得到了1%的灵敏度。2003年，Villatoro.J等人研究了缓刑钯膜锥形光纤氢气传感器。除单模锥形光纤外，Villato-ro.J等人将振荡火焰加热法用于多模锥形光纤制作;Espada LI等人以有机硅聚合物作为锥形光纤敏感膜，开展了氨气和二氧化碳检测的研究工作，当传感器锥形区域长度缩短时，传感器灵敏度增加，响应时问缩短至秒级。

　　随着发展，出现了多种不同倏逝波型光纤气体传感器，如纤芯裸露形光纤传感器，取出石英纤芯塑料包层(PCS)光纤的塑料包层或去除普通光纤石英包层;纤芯失配形光纤传感器，将一段单模光纤的两端分别熔接在多模光纤上：微结构光纤传感器，微结构光纤又称为光子晶体光纤或多孔光纤，这类光纤是在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成的，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光传导。国内运用倏逝波原理研制了一些传感器，如生物传感器，它利用荧光效应加上倏逝波原理。

　　而倏逝波型光纤传感器用在气体检测这一方面的研究，我国还在起步阶段。2008年黑龙江大学就基于倏逝波原理作了瓦斯气体传感器研究，研制出特别传感头，其特殊购置纤芯直径为800μm的大孔径多模粗光纤，将光纤探头的端头倾斜角度磨成45°，两根同样光纤端头平行放置在一起，并使端头距离控制在波长量级，可得到5×10-4的灵敏度。

　　1 基本原理

　　光纤倏逝波型气体传感器基于渐逝场原理，即将一小段光纤剥去包层，置于被测环境中，作为敏感元。当光在光纤中传播时，会在纤芯(高折射率介质)与包层(低折射率介质)的分界面上发生全反射。实际上，并非所有的光都反射回去的，有一部分的光会透射进低折射率的介质中，形成一种不同于在高折射率介质中传播的传输波。它是一种振幅随着透射深度按指数形式衰减的点传输波，称之为倏逝波，如图1所示。

　　光沿着z轴正方向传播，倏逝波分配区域为敏感元区，Zm为倏逝波的穿透深度。n1为纤芯的折射率，n2为吸收介质的折射率。θ1为从纤芯入射到吸收介质的入射角。若从纤芯折射入吸收介质的折射角为θr，由斯涅尔定律和全反射条件可得到：

　　式(3)中E2表示倏逝波沿x方向呈指数规律衰减，而在z方向是一个行波场。E20为进入吸收介质前的初始场强。当倏逝波的振幅衰减到界面处的e-1倍时，这时的径向深度称Zm为透射深度：

　　式(4)中的λ1为传输光的波长。

　　当吸收介质中的气体浓度发生变化时，其折射率n2将发生改变，由式(3)(4)可知，倏逝波的振幅、光强也会变化，同时透射深度Zm也会改变，根据这些变化能进一步建立传感器输出光信号与被测气体类型和浓度的关系。

　　基于以上倏逝波原理，同时考虑气体光谱吸收理论，根据比尔-朗伯吸收定律有：

　　式(5)中的I0(λ)为初始光强，I(λ)为经过待测气体后的光强，aλ为介质的吸收系数，L为气室的长度，C为待测气体的浓度。