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)展進行了介紹，并且對倏逝波型的光纖氣體檢測原理進行了分析與研究。設(shè)計了一款基于FPGA的倏逝波型的光纖氣體檢測系統(tǒng)。通過模擬與實驗，提高了檢測靈敏度和響應時間，可進行多種氣體檢測。
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)濟的快速發(fā)展，環(huán)境污染與溫室效應日益嚴重，環(huán)境與生態(tài)保護對氣體檢測系統(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。
    倏逝波型光纖氣體傳感器憑借其獨特優(yōu)點與應用潛力，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，當傳感器錐形區(qū)域長度縮短時，傳感器靈敏度增加，響應時問縮短至秒級。
    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，實現(xiàn)光傳導。國內(nèi)運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。當光在光纖中傳播時，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。實際上，并非所有的光都反射回去的，有一部分的光會透射進低折射率的介質(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)域為敏感元區(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方向是一個行波場。E20為進入吸收介質(zhì)前的初始場強。當倏逝波的振幅衰減到界面處的e-1倍時，這時的徑向深度稱Zm為透射深度：
   
    式(4)中的λ1為傳輸光的波長。
    當吸收介質(zhì)中的氣體濃度發(fā)生變化時，其折射率n2將發(fā)生改變，由式(3)(4)可知，倏逝波的振幅、光強也會變化，同時透射深度Zm也會改變，根據(jù)這些變化能進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，I(λ)為經(jīng)過待測氣體后的光強，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
    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)計加工來提高靈敏度。在實際檢測氣體應用中，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)倏逝波效應和氣體吸收光譜效應，光強發(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，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。

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2．2 遠程傳感器
    遠程傳感系統(tǒng)主要設(shè)計結(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，遠程傳感系統(tǒng)采用長距離傳輸光纖。這種設(shè)計可用于遠距離及時監(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
    傳感器的靈敏度、響應時間與測量精度等受光纖敏感元的影響。因此探頭設(shè)計優(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)計新型結(jié)構(gòu)探頭，進行仿真模擬分析，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。同時通過參考光路進行數(shù)據(jù)處理與誤差補償。

3 系統(tǒng)設(shè)計
    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)動芯片的調(diào)制信號輸入端，激光驅(qū)動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氣室到達PIN探測器，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后得數(shù)字數(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做相應處理，得到檢測有害氣體濃度并進行顯示、存儲和警示等。

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3．1 分析模型
    本文通過實驗得到相關(guān)誤差數(shù)據(jù)，得到各種情況與條件下的插值表，進行數(shù)據(jù)擬合，找出對應關(guān)系與特性。通過對各成分標準濃度氣體的測量，獲得測量數(shù)據(jù)和濃度的對應關(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、氣體壓強變化、光源變化與工作條件狀態(tài)變化等。通過實驗對多種成分進行同時測量，對不同氣體成分之間相互干擾的問題進行分析，得到各個成分之間的影響系數(shù)，對測量結(jié)果進行補償。建立數(shù)據(jù)庫與快速算法，通過對采樣數(shù)據(jù)進行實時數(shù)據(jù)補償，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)的精度與響應速度。
3．2 檢測模塊
    系統(tǒng)基于FPGA進行激光驅(qū)動控制與檢測模塊設(shè)計與功能驗證，采用Altera公司StratixⅡ系列高密度FPGA來實現(xiàn)?；贔PGA實現(xiàn)對于可調(diào)諧半導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)了一個基于嵌入式Nios處理器的整個控
制系統(tǒng)的程序，實現(xiàn)整個系統(tǒng)輸入輸出、存儲、中斷管理工作，使各個模塊能夠協(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)展進行了介紹，同時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，通過模擬與實驗，表明設(shè)計的系統(tǒng)可快速進行一種或多種氣體的檢測和控制，實現(xiàn)設(shè)計功能。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)域擁有廣闊的應用前景。