基于FPGA的倏逝波型光纖氣體檢測(cè)研究
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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：
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：
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：
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。
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(chǎng)理論，由于光透入光疏介質(zhì)中能量相對(duì)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(shè)計(jì)加工來(lái)提高靈敏度。在實(shí)際檢測(cè)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(guò)聚焦透鏡將光聚合到光纖中，順著光纖經(jīng)過(guò)充滿待測(cè)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(guò)輸出透鏡，由光電探測(cè)器接受，然后數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)，通過(guò)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(duì)不同氣體測(cè)量的需要。本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/191072.htm
評(píng)論