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。設計了一款基于FPGA的倏逝波型的光纖氣體檢測系統。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。
關鍵詞：倏逝波；光纖氣體傳感器；現場可編程門陣列

0 引言
隨著現代經濟的快速發展，環境污染與溫室效應日益嚴重，環境與生態保護對氣體檢測系統與技術提出了迫切需求。近年來，隨著光纖傳感技術的快速發展，光纖氣體傳感器研究在國內外受到廣泛重視。光纖氣體傳感器以光波為測量信號載體，對被測環境干擾小，可適應各種環境。
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，具有結構相對簡單、成本較低、可交叉分辨和形成分布式傳感等優點。
倏逝波型光纖氣體傳感器憑借其獨特優點與應用潛力，在氣體檢測中嶄露頭角，引起人們的重視與研究，出現了多種特殊構造的光纖傳感元，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。
隨著發展，出現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：微結構光纖傳感器，微結構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則排列微小空氣孔構成的，通過這些微小空氣孔對光的約束，實現光傳導。國內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，即將一小段光纖剝去包層，置于被測環境中，作為敏感元。當光在光纖中傳播時，會在纖芯(高折射率介質)與包層(低折射率介質)的分界面上發生全反射。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中，形成一種不同于在高折射率介質中傳播的傳輸波。它是一種振幅隨著透射深度按指數形式衰減的點傳輸波，稱之為倏逝波，如圖1所示。