基于FPGA的倏逝波型光纖氣體檢測研究

摘要：文章就光纖氣體傳感器的背景和發(fā)展進(jìn)行了介紹，并且對倏逝波型的光纖氣體檢測原理進(jìn)行了分析與研究。設(shè)計(jì)了一款基于FPGA的倏逝波型的光纖氣體檢測系統(tǒng)。通過模擬與實(shí)驗(yàn)，提高了檢測靈敏度和響應(yīng)時(shí)間，可進(jìn)行多種氣體檢測。
關(guān)鍵詞：倏逝波；光纖氣體傳感器；現(xiàn)場可編程門陣列

0 引言
    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)對氣體檢測系統(tǒng)與技術(shù)提出了迫切需求。近年來，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內(nèi)外受到廣泛重視。光纖氣體傳感器以光波為測量信號載體，對被測環(huán)境干擾小，可適應(yīng)各種環(huán)境。
    光纖倏逝波型氣體探測器是一種新型氣體傳感器，它是利用待測氣體與光纖中傳輸光場的相互作用來實(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)相對簡單、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等人通過去掉普通光纖部分包層形成D形光纖，并直接檢測甲烷在1．66μm波長附近的吸收，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，開展了氨氣和二氧化碳檢測的研究工作，當(dāng)傳感器錐形區(qū)域長度縮短時(shí)，傳感器靈敏度增加，響應(yīng)時(shí)問縮短至秒級。
    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，通過這些微小空氣孔對光的約束，實(shí)現(xiàn)光傳導(dǎo)。國內(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這一方面的研究，我國還在起步階段。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量級，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原理，即將一小段光纖剝?nèi)グ鼘樱糜诒粶y環(huán)境中，作為敏感元。當(dāng)光在光纖中傳播時(shí)，會在纖芯(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。

    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：
   
   
    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。E20為進(jìn)入吸收介質(zhì)前的初始場強(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：
   
    式(4)中的λ1為傳輸光的波長。
    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)也會變化，同時(shí)透射深度Zm也會改變，根據(jù)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：
   
    式(5)中的I0(λ)為初始光強(qiáng)，I(λ)為經(jīng)過待測氣體后的光強(qiáng)，aλ為介質(zhì)的吸收系數(shù)，L為氣室的長度，C為待測氣體的濃度。

2 氣體傳感頭設(shè)計(jì)
    倏逝波光纖氣體傳感器是基于漸逝場理論，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)過特殊設(shè)計(jì)加工來提高靈敏度。在實(shí)際檢測氣體應(yīng)用中，要考慮傳感頭結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)。
2．1 內(nèi)腔傳感器
    內(nèi)腔傳感器主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。光源采用可調(diào)諧紅外激光器，激光通過聚焦透鏡將光聚合到光纖中，順著光纖經(jīng)過充滿待測氣體的腔，根據(jù)倏逝波效應(yīng)和氣體吸收光譜效應(yīng)，光強(qiáng)發(fā)生變化，經(jīng)過輸出透鏡，由光電探測器接受，然后數(shù)據(jù)處理得出氣體濃度信息，完成傳感過程。采用小型采樣氣室設(shè)計(jì)，通過紅外可調(diào)諧激光，利用倏逝波原理，并結(jié)合氣體在紅外波段的吸收光譜理論。小氣室設(shè)計(jì)適合向便攜式氣體傳感器發(fā)展，可調(diào)諧紅外激光則滿足對不同氣體測量的需要。

2．2 遠(yuǎn)程傳感器
    遠(yuǎn)程傳感系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。同樣采用可調(diào)諧紅外光源，紅外激光經(jīng)過傳輸，通過特殊傳感光纖得到光強(qiáng)變化信息，由紅外探測器接收，經(jīng)信號處理得出待測氣體濃度。與內(nèi)腔傳感器所不同的是，遠(yuǎn)程傳感系統(tǒng)采用長距離傳輸光纖。這種設(shè)計(jì)可用于遠(yuǎn)距離及時(shí)監(jiān)控氣體濃度，具有成為分布式氣體探測系統(tǒng)的可能。

2．3 探測頭優(yōu)化設(shè)計(jì)
    傳感器的靈敏度、響應(yīng)時(shí)間與測量精度等受光纖敏感元的影響。因此探頭設(shè)計(jì)優(yōu)化尤為重要。在已有D形、錐形、光纖裸露形、失配形等探頭研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)探頭，進(jìn)行仿真模擬分析，提高傳感檢測靈敏度與精度。探頭由于長期跟待測氣體接觸，受到污染，影響檢測精度，這也是探頭設(shè)計(jì)考慮之一。利用氣體選擇性膜涂于表面，以隔絕除待測氣體外的其它分子污染探頭。同時(shí)通過參考光路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與誤差補(bǔ)償。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    檢測系統(tǒng)采用TDLAS檢測技術(shù)，測量基于朗伯-比爾定律。檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。由FPGA產(chǎn)生的鋸齒波和正弦波信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后疊加到激光驅(qū)動(dòng)芯片的調(diào)制信號輸入端，激光驅(qū)動(dòng)芯片和溫度控制模塊控制激光輸出，激光經(jīng)分束器分束，一路為參考光，一路作為氣體檢測光束。兩路光束分別經(jīng)過氣體傳感頭和參考?xì)馐业竭_(dá)PIN探測器，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后得數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳入到數(shù)字鎖相放大器濾波鎖相，檢測出其二次諧波信號，由FPGA做相應(yīng)處理，得到檢測有害氣體濃度并進(jìn)行顯示、存儲和警示等。

3．1 分析模型
    本文通過實(shí)驗(yàn)得到相關(guān)誤差數(shù)據(jù)，得到各種情況與條件下的插值表，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，找出對應(yīng)關(guān)系與特性。通過對各成分標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體的測量，獲得測量數(shù)據(jù)和濃度的對應(yīng)關(guān)系，通過Matlab軟件建立分析和處理模型，擬合出CO2、CO等成分的關(guān)系曲線。分析影響系統(tǒng)測量精度的因素，包括環(huán)境溫度變化、氣體壓強(qiáng)變化、光源變化與工作條件狀態(tài)變化等。通過實(shí)驗(yàn)對多種成分進(jìn)行同時(shí)測量，對不同氣體成分之間相互干擾的問題進(jìn)行分析，得到各個(gè)成分之間的影響系數(shù)，對測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。建立數(shù)據(jù)庫與快速算法，通過對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)補(bǔ)償，使得傳感器測量精度不受外部環(huán)境狀態(tài)的影響，有效提高測量精度，提高氣體分析系統(tǒng)的精度與響應(yīng)速度。
3．2 檢測模塊
    系統(tǒng)基于FPGA進(jìn)行激光驅(qū)動(dòng)控制與檢測模塊設(shè)計(jì)與功能驗(yàn)證，采用Altera公司StratixⅡ系列高密度FPGA來實(shí)現(xiàn)。基于FPGA實(shí)現(xiàn)對于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器通用的溫度電流控制模塊、鋸齒波發(fā)生掃描電路模塊、高頻調(diào)制電路 模塊。開發(fā)了一個(gè)基于嵌入式Nios處理器的整個(gè)控
制系統(tǒng)的程序，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)輸入輸出、存儲、中斷管理工作，使各個(gè)模塊能夠協(xié)同有序工作，系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

4 結(jié)論
    本文對光纖氣體傳感器的發(fā)展進(jìn)行了介紹，同時(shí)對倏逝波型光纖氣體檢測的理論知識、工作原理及其傳感結(jié)構(gòu)展開了分析，并提出基于FPGA的新型光纖氣體傳感系統(tǒng)的構(gòu)思與設(shè)計(jì)，通過模擬與實(shí)驗(yàn)，表明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可快速進(jìn)行一種或多種氣體的檢測和控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。倏逝波型光纖氣體傳感器特有的優(yōu)勢相信能在工業(yè)氣體在線監(jiān)測、有害氣體分析、居住環(huán)境檢測等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。