基于FPGA的倏逝波型光纤气体检测研究

摘要：文章就传感器的背景和发展进行了介绍，并且对的原理进行了分析与研究。设计了一款基于的的系统。通过模拟与实验，提高了灵敏度和响应时间，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。