基于FPGA的倏逝波型光纤气体检测研究

摘要：文章就光纤气体传感器的背景和发展进行了介绍，并且对倏逝波型的光纤气体检测原理进行了分析与研究。设计了一款基于FPGA的倏逝波型的光纤气体检测系统。通过模拟与实验，提高了检测灵敏度和响应时间，可进行多种气体检测。
关键词：倏逝波；光纤气体传感器；现场可编程门阵列

0 引言
    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。

2 气体传感头设计
    倏逝波光纤气体传感器是基于渐逝场理论，由于光透入光疏介质中能量相对比较少，倏逝波型光纤气体传感器的光纤传感部分要经过特殊设计加工来提高灵敏度。在实际检测气体应用中，要考虑传感头结构、工作环境、工作状态等因素，可采用如下两种倏逝波光纤气体传感头结构。
2．1 内腔传感器
    内腔传感器主要结构如图2所示。光源采用可调谐红外激光器，激光通过聚焦透镜将光聚合到光纤中，顺着光纤经过充满待测气体的腔，根据倏逝波效应和气体吸收光谱效应，光强发生变化，经过输出透镜，由光电探测器接受，然后数据处理得出气体浓度信息，完成传感过程。采用小型采样气室设计，通过红外可调谐激光，利用倏逝波原理，并结合气体在红外波段的吸收光谱理论。小气室设计适合向便携式气体传感器发展，可调谐红外激光则满足对不同气体测量的需要。

2．2 远程传感器
    远程传感系统主要设计结构如图3所示。同样采用可调谐红外光源，红外激光经过传输，通过特殊传感光纤得到光强变化信息，由红外探测器接收，经信号处理得出待测气体浓度。与内腔传感器所不同的是，远程传感系统采用长距离传输光纤。这种设计可用于远距离及时监控气体浓度，具有成为分布式气体探测系统的可能。

2．3 探测头优化设计
    传感器的灵敏度、响应时间与测量精度等受光纤敏感元的影响。因此探头设计优化尤为重要。在已有D形、锥形、光纤裸露形、失配形等探头研究的基础上，设计新型结构探头，进行仿真模拟分析，提高传感检测灵敏度与精度。探头由于长期跟待测气体接触，受到污染，影响检测精度，这也是探头设计考虑之一。利用气体选择性膜涂于表面，以隔绝除待测气体外的其它分子污染探头。同时通过参考光路进行数据处理与误差补偿。

3 系统设计
    检测系统采用TDLAS检测技术，测量基于朗伯-比尔定律。检测系统设计框图如图4所示。由FPGA产生的锯齿波和正弦波信号经AD转换后叠加到激光驱动芯片的调制信号输入端，激光驱动芯片和温度控制模块控制激光输出，激光经分束器分束，一路为参考光，一路作为气体检测光束。两路光束分别经过气体传感头和参考气室到达PIN探测器，经AD转换后得数字数据传入到数字锁相放大器滤波锁相，检测出其二次谐波信号，由FPGA做相应处理，得到检测有害气体浓度并进行显示、存储和警示等。

3．1 分析模型
    本文通过实验得到相关误差数据，得到各种情况与条件下的插值表，进行数据拟合，找出对应关系与特性。通过对各成分标准浓度气体的测量，获得测量数据和浓度的对应关系，通过Matlab软件建立分析和处理模型，拟合出CO2、CO等成分的关系曲线。分析影响系统测量精度的因素，包括环境温度变化、气体压强变化、光源变化与工作条件状态变化等。通过实验对多种成分进行同时测量，对不同气体成分之间相互干扰的问题进行分析，得到各个成分之间的影响系数，对测量结果进行补偿。建立数据库与快速算法，通过对采样数据进行实时数据补偿，使得传感器测量精度不受外部环境状态的影响，有效提高测量精度，提高气体分析系统的精度与响应速度。
3．2 检测模块
    系统基于FPGA进行激光驱动控制与检测模块设计与功能验证，采用Altera公司StratixⅡ系列高密度FPGA来实现。基于FPGA实现对于可调谐半导体激光器通用的温度电流控制模块、锯齿波发生扫描电路模块、高频调制电路 模块。开发了一个基于嵌入式Nios处理器的整个控
制系统的程序，实现整个系统输入输出、存储、中断管理工作，使各个模块能够协同有序工作，系统架构如图5所示。

4 结论
    本文对光纤气体传感器的发展进行了介绍，同时对倏逝波型光纤气体检测的理论知识、工作原理及其传感结构展开了分析，并提出基于FPGA的新型光纤气体传感系统的构思与设计，通过模拟与实验，表明设计的系统可快速进行一种或多种气体的检测和控制，实现设计功能。倏逝波型光纤气体传感器特有的优势相信能在工业气体在线监测、有害气体分析、居住环境检测等领域拥有广阔的应用前景。