燕山大学毕业设计基于光子晶体光纤的光纤气体传感系统的设计与开发.docx

本科毕业设计（论文）基于光子晶体光纤的光纤气体传感系统研究燕山大学2014年6月本科毕业设计（论文）基于光子晶体光纤的光纤气体传感系统研究学院（系）：专 业:学生姓名:学 号：指导教师:答辩日期:燕山大学毕业设计（论文）任务书学院:电气工程学院系级教学单位:仪器科学与工程系一学3学生 姓名专业 班级题 目题目名称基于光子晶体光纤的光纤气体传感系统研究题目性质1 .理工类:工程设计（）;工程技术实验研究型（ ）： 理论研究型（）:计算机软件型（）:综合型（）2 .管理类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）题目类型1.毕业设计（V ）2.论文（）题目来源科研课题（丿）生产实际（）自选题目（）主 要 内 容1 .通过查阅国内外相关参考文献,了解光子晶体光纤特性及应用背景;2 . 了解气体传感系统研究现状（以光学式气体传感系统为主）：3 .掌握利用光子晶体光纤进行气体检测的基本原理;4 .设计基于光子晶体光纤的光纤气体传感系统并进行理论分析及实验研究;5 .总结并撰写毕业设计论文。基本要求1 .查阅并总结国内外相关资料；2 .给出光纤气体传感系统设计方案并实验研究;3 .按照撰写规范要求撰写并提交毕业设计论文。参 考 资 料1 .相关专业参考书籍；2 .国内外相关期刊学术论文。周次第14周第58周第911周第12-15周第1617周应完成的内容收集、查阅国 内外相关参考 文献总结参考文献给出设计方案, 进行理论分析 及实验研究撰写毕业设计 论文，完成初稿修改并完成毕业 设计论文初稿， 参加毕业设计答 辩指导教师：王书涛职称：教授年 月 日系级教学单位审批;年 月 日摘要近年来,煤矿生产事故频发,且以瓦斯爆炸为主,给矿生命和国家财 产安全造成严重威胁。大气污染已经严重影响人民的健康和生活。对于瓦斯、 氧化碳,硫化氢等有害气体来说,迫切需要一种安全有效的气体检测系统。 光纤气体传感技术是项正在发展中的高精度测试技术。论文以气体浓度检 测为目的,围绕光子晶体光纤气体传感这主题,主要研究工作如下:(1)首先，论述了光纤气体传感器的国内外研究现状和发展趋势,分析 了光纤气体传感中的影响因素和关键技术和光子晶体光纤的特性。通过对分 子光谱理论的分析,给出气体吸收测量的理论基础,为传感器数学模型的建 立奠定理论基础。(2)然后详细论述了气体检测中谐波检测、差分检测的原理,并进行单、 双光路的系统设计。(3)最后,阐述了甲烷检测系统中光源、气室、光电探测器以及光路部 分和电信号检测部分的特性及对测量的影响，详细介绍了光子晶体光纤作为 气室的特性与结构设计。根据实验室现有器材进行简单实验研究。关键词:甲烷:光子晶体光纤光纤气体传感;谐波检测;差分吸收法AbstractRecently, the coal mine accidents in our country, especially gas exploding, happened frequently, which has endangered the miners9 lives and the safety of the national properties. Air pollution has seriously affected people's health and life. For the bad gas like methane, carbon monoxide, sulfureted hydrogen, the safe and effective gas detection system isurgently needed. Fiber gas sensing is a high sensitivity developing gas detection technique. Gas concentration measurement is the paper's purpose. The theme is an optical fiber gas sensor using photonic crystal fiber . The main contents are as follows:First, the research actualities and progress directions of fiber gas sensor in nation and abroad are discussed. The influence factors and key techniques of fiber gas sensor are analyzed. And the characteristics of photonic crystal fiber are analyzed.The basic principle of gas absorption measurement is given through the analysis of molecule spectrum theory. Thus, the basic principle of sensor's mathematical model is given.And then discusse the harmonic gas detection , detection of difference principle, and system design of single, double light paths.Finally, the characteristics and influences on measurement of light source, gas cell, detector, optical path and electric signal detection system are analyzed. The photonic crystal fiber characteristic as the gas chamber and structure design of the are introduced seriously.Then according to the the existing laboratory equipment simple experimental research has been completed. Keywords； Methane;Photonic crystal fiber; Detection of optical fiber gassensor; Harmonic; Differential absorption method;目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1 课题背景11.2 研究意义21.3 国内外研究现状21.3.1 研究成果21.3.2 存在问题31.4 光纤传感器分类41.5 新型光子晶体光纤传感概述71.6 本论文研究主要内容10第2章 光纤气体检测机理112.1 气体分子光谱理论112.1.1 分子的运动形式及能级结构112.1.2 多原子分子的跃迁能级结构及其光谱122.1.3 气体分子吸收线形与展宽132.2 甲烷气体的近红外选择吸收172.3 本章小结18第3章光纤气体传感技术193.1 比尔一朗伯定律193.2 谐波检测193.2.1 原理193.2.2 系统设计213.3 差分检测243.3.1 原理243.3.2 系统设计263.4 本章小结27第4章 甲烷气体传感系统设计284.1 光源284.1.1 光源分类介绍284.1.2 DFB-LD 光源314.2 气室344.2.1 传统气室344.2.2 PCF 气室354.3 光电探测器394.4 信号处理部分404.4.1 前置放大部分404.4.2 滤波电路414.4.3 锁相放大器434.5 本章小结44第5章 甲烷气体传感系统实验455.1 实验系统搭建455.1.1 实验框图455.1.2 SLED 光源455.2 数据处理分析465.2.1 灵敏度465.2.2 分辨475.2.3 重复性485.2.4 稳定性485.3 本章小结48结论49参考文献50致谢53附录154附录268附录389附录4110第1章绪论1.1 课题背景在业生产过程中,有大量有毒有害、易燃易爆气体产生,特别是在矿 井等通风不良或密闭的环境中，这些气体会在密闭的空间中积累。当积累到 一定浓度时可能会对人的生命安全构成了极大的威胁，同时还有可能造成 各种安全事故。甲烷是常见的易燃易爆气体和多种液体燃料的主要成分。 甲烷在大气中的爆炸下限为5.3%,上限为15.0%。矿井中瓦斯的主要成分 是甲烷,约占8389%,矿井瓦斯是煤矿自然灾害的重要根源。瓦斯的存 在使人窒息、遇火源爆炸,瓦斯爆炸还极易引起煤尘爆炸。在工业生产中, 及时准确地对易燃易爆,有毒有害气体进行监控,预测,报警并采取对应 处理措施,保证生产生活的有序进行,保障人民群众的生命和企业财产安全, 已经成为石油化,电电气等行业急需解决的重要问题。因此,对气体成 分进行实时监测显得非常迫切。如何对这些有害气体的种类和浓度进行实 时检测近年来逐渐成为科学和工程领域的个热门课题。目前,常用的气体成分监测方法有以下几种?化学分析法、气相色谱 分析法、质谱分析法和光谱分析法。化学分析法是以化学反应为基础进行 物质成分分析,这种方法普遍存在误差较大、灵敏度不高的缺点,浓度较 低的气体很难得到精确的结果。气相色谱分析法是基于不同物质在两相 （固定相和流动相）中具有不同的吸附系数,当两相作相对运动时,各物质 会完全分离并由检测器依次进行检测,这种方法应用于空气品质监测具有 高效、灵敏等特点,但检测过程复杂,不便于实时监测。质谱分析法首先 用电离装置把样品电离为离子,然后通过质量分析装置（质谱仪）将不同质 荷比的离子分开，最后通过质谱图来实现样品的定性和定量测量。和色谱 仪相比,质谱仪是种灵敏度更高的仪器,但其结构复杂,对环境的温度 和湿度要求很高，因此也很难实现大范围的推广。和前面3种方法相比, 光谱测量分析法主要是利用分子基团的特征吸收谱来对化合物的种类进行 分析,该方法可以同时检测多种有害气体,很容易实现空气品质实时监测。 近年来,伴随着光谱测量技术尤其是傅里叶变换红外光谱技术的发展,光 谱的检测范围扩展到中红外波段,使得光谱测量分析法在大气污染检测领 域具有明显的优势。1.2 研究意义光纤气体传感器有响应快、耐腐蚀、不受电磁干扰、可灵活复用等优 势,自光纤传感器产生以来,即获得了广泛的应用,按照光纤传感器应用的 领域划分,光纤传感器可应用于:地球动力学,航天器及船舶,民用工程结 构,电工业,医学,化学测量,军用监控及告警技术,智能结构及机器 人等领域中。光子晶体光纤(PCF)是近年来出现的种新型光纤,其呈现出许多在 传统光纤中难以实现的特性,因而受到了广泛关注并成为近年来光学与光电 子研究的个热点。PCF不仅应用到常规光通信技术领域,而且广泛地应 用到光器件领域,如高功率光纤激光器、光纤放大器、超连续光、色散的补 偿、光开光、光倍频、滤波器、波长变换器、孤子发生器、模式转换器、光 纤偏振器等领域。1.3 国内外研究现状1.4 . I研究成果光纤传感器的基本原理是将光纤发出的光经光纤送入调制区,在调制 区内,外界被测参量与进入调制区的光相互作用,使光的某些性质,如光 的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化而成为信号光,再经光纤 送入光探测器、解调器而获得被测参数,如图1所示。图!-!光纤传感结构图光纤气体传感技术是光纤传感技术的一个重要应用分支,主要基于气 体的物理或化学性质相关的光学现象或特性。光纤传感技术的发展主要分 为四个大阶段:1982年以前,主要以对光强度进行调制型光纤传感器为主; 1982年以后,开始大量出现干涉型光纤传感技术;进入1990年后,随着 光纤光栅加工艺的成熟及其在传感上的独特优势,光纤光栅传感器的研 究进入了一个热潮:进入2000年后,随着各种光线传感技术和光线器件 趋于成熟,光纤传感器开始进入商业化和实用化阶段。同时,由于新型光 纤光子晶体光纤的兴起以及其在单模、色散、双折射、非线性等特性上 具有传统光纤无可比拟的优点,光子晶体光纤传感器的研究逐渐成为光纤 传感领域的重要研究内容。1977年,美国海军研究所(NRL)执行的用于航空工业中的光纤传感器 系统开启了光纤传感技术研究的序幕。至上世纪80年代中期,光纤传感器 的种类已达数百种,应用于国防,科研及制造等诸多领域。1989年,西安应用光学研究所的郭栓运在应用光学上介绍了 Kchan和 hiaba等人在1983、1984年的研究成果。2006年李洁、严高师等人根据红外光谱吸收原理提出了测量CO气 体的浓度或体积分数的装置,该系统选择了不与CO2和水蒸汽重叠的1.57 pm的吸收峰，并且使用两端加反射镜增加吸收长度的气缸来增加CO的 吸收。2006年王艳菊,王玉田等,基于光谱吸收的检测原理,利用通用的 LED宽带光源和光纤构成了低浓度甲烷气体监测系统,光源经双波长旋转 滤光片进行波长切换,实现双波长单光路的甲烷浓度差分吸收监测。2007年Mulrooney Jim, Clifford John ”提出了 种可以探测柴油机里 释放的CO2的体积分数的光纤传感器,他们选用CO2的4.24.4卩m波段 的吸收谱，使用中红外器件,并且使用了传播16nm光损耗更小的的硫 化物光纤。李政颖、王洪海等人研制了一种光纤气体检测仪,根据被测气体的 吸收峰对应的波长选择分布反馈式半导体激光器作为光源,采用不同频率 的光源驱动电路实现了多种气体同时测量。2010年余呪琼,吴重庆等发表文章概述了现有的四种光纤气体传感 网络方案,对比了各方案的优缺点。1.3.2存在问题目前,近红外气体浓度的检测方案中,大部分是基于实验室条件下的 研究成果,其结构设计很难适应实际生产环境的要求,造成了今天国外很 少有、国内基本没有近红外光谱吸收气体检测系统或仪器在实际生产现场 中使用的困境。随着光纤技术的不断完善,光纤传感器技术在不断的发展, 大量科研人员的努力,新型廉价光源及低损光纤的开发,将使这样的局 面得以改善。光纤气体传感技术的完全实用化,还面临很多问题,是要 开发廉价、具有竞争力实用的传感装置,采用新型的现代光学器件使结构 紧凑、性能稳定且灵敏度高;是研究开发微弱信号检测技术,进步提 高传感器灵敏度和准确度,保证信号检测电路实用廉价;三是采用计算机 技术实现智能化,探索在单根光纤或少数儿根光纤上实现多参数同时检测, 朝小型多功能、智能化的方向发展。1.5 光纤传感器分类用于气体测量的光纤技术相当丰富,各种光纤气体测量装置种类繁多, 具体如下表!-!所示。表!-1光纤气体传感器按工作原理和调制技术分类测量参量工作原理检测技术光强气体吸收谱调制光强吸收型光谱检测技术气体吸收谱影响倏逝场條逝场光纤传感技术荧光发射光谱荧光光谱检测技术波长染料指示剂颜色变化波长及其强度变化测量拉曼散射拉曼光谱检测相位/偏振态气体折射率引起浓度或光程变化强度或干涉测量技术时间特性荧光辐射的“动态熄灭”荧光寿命检测技术Ringdown腔时间衰减Ringdown时间检测下面首先就儿种主要的光纤气体传感技术做简要介绍,包括各自的传感原理、适用范围、以及优缺点。(1)吸收型光纤传感器这种技术利用气体在石英光纤透射窗口(0.8卩m1.7 Rm)内的吸收峰测 量,由于气体吸收产生的光强衰减,根据BeerLambert定律,可以计算出 气体的浓度。常见的气体(CO、CH4、C2H2、NO2、CO2)在石英光纤透射窗 都有泛频吸收线,在这一波段发光器件和接收器件都是比较理想的光电 转换器件。用这种方法可以对大多数的气体浓度进行较高精度的测量。利 用吸收型的气体传感器的大优点是具有简单可靠的气室结构,而且只需 要调换光源,对准另外的吸收谱线,可以用同样的系统来检测不同的气体。 光谱吸收型气体传感器是应用最为广泛的类气体传感器。依据信号检测 的方法不同,先后出现了差分吸收法、Fourier变换光谱法、F-P腔法、AOTF 等方法。光谱吸收型光纤气体传感器是研究得最多并接近于实用化的一种 气体传感器,它采用的是普通光纤或多模光纤。这种传感器由光源、气室, 双波束或双波长的光路以及信号处理4个环节组成。其最大的特点是传感 单元(气室)简单,可检测气体种类多,易于形成网络。因而是目前最有应 用前景的传感技术。(2)渐逝场型光纤气体传感器渐逝场光纤传感是利用光纤界面附近的渐逝场被气体吸收峰衰减来测 量气体浓度的方法，是种功能型光纤传感器。从本质上说,可以认为是 种特殊的光纤光谱吸收型传感器。对于光纤中的导模,可以认为光在光 纤芯子和包层的界面上发生全反射。这时在包层中出现渐逝场,它的电场 振幅随着离光纤芯子的距离的增大作指数衰减。在某种情况下,例如渐逝 场区域内的包层部分被吸收型介质(如被测气体或染料指示剂)代替,这时 部分渐逝波被这种介质吸收而发生衰减，对导模来说,它在芯子和包层界 面的反射系数将会小于1,最终导模将发生衰减一种典型的光纤渐逝场气体 传感器是将普通光纤的包层去掉一部分形成所谓D型光纤(Dfber),使得 包层中的部分光波能量处于环境中,待测气体与渐逝场中的光波相互作 用产生吸收从而使出射光强发生变化。(3)荧光型光纤气体传感器这是种通过测量与气体相应的荧光辐射来确定其浓度的光纤气体传 感器。荧光可以由被测气体本身产生也可以由与其相互作用的荧光燃料产 生。荧光物质吸收光谱中特定波长的光照射,被测气体的浓度既可以改变 荧光辐射的强度,也可以改变其寿命。和吸收型光纤气体传感相比,荧光 型传感器传感所用波长(荧光波长)不同于激励光波长。由于不同的荧光材 料通常具有不同的荧光波长,因此荧光传感器对被测量的鉴别性好。实际 上希望辐射波长和激励波长离开得越远越好，在输出端可用廉价的波长滤 波器将激励光和传感光分开。通常希望激励波长在可见光或近红外区，这 一波段上光源技术成熟,价格也低廉。测量荧光寿命通常有脉冲时延法和 相移法2种方法。限制荧光气体传感的主要因素是信号微弱,使得检测系 统复杂,因而系统成本较高。(4)染料指示剂型光纤气体传感器染料与被测气体发生化学反应,使得染料的光学性质发生变化,利用 光纤传感器测量这种变化,就可以得到被测气体的浓度信息。最常见的染 料指示剂型光纤气体传感器是pH值传感器,一些染料指示剂(如石蕊或酚 红试纸)的颜色会随着pH值的变化而变化,引起对光的吸收的变化。通过 测量某些气体浓度变化带来的pH值变化,分析气体的浓度信息。不少气体 (如氮气,二氧化碳等)的浓度可以通过测量相应溶液的pH值来确定。其优 点是体积小,结构简单。缺点是鉴别性差,难以作为气体鉴别的唯一依据。 作为成本低廉的类传感器,近年来它的发展主要集中在选择新的染料指 示剂,研究新的传感探头。(5)多点复用型光纤气体传感器必光纤气体传感器与激光气体光谱检测技术相比,个重要的优势就是 易于实现复用,利用光纤局域网技术,把多个传感器连成个复杂的传感 网络。大气污染检测和工业过程控制都要求多点,而且由于大量降低了连 接光纤的数量,复用简化了系统光源以及信号检测处理系统,因此系统可 靠性也大大增强。光纤传感器的复用皿按其工作原理可分为时分复用 TDM(Time Division Multiplexed).频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexed)»码分复用 CDM(Code Division Multiplexed)»波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexed)以及串连的光时域反射 OTDR 等技 术。光纤传感器的复用技术利用了已经研究数十年的光纤局域网技术,从 基本原理上,大部分技术已经成熟,由于光纤传感技术为满足不同的应用 要求,工作原理,实现方案千差万别。1.6 新型光子晶体光纤传感概述1987年,sjohn和E.Yablonovitch等人分别独立地提出了光子晶体 (Photonicerystal)的概念,从而为开发新型的光纤和光纤器件提供了 一个新 的平台。1996年,J.cKnight等人成功拉制了第一根全内反射型光子晶体光纤, 并发现了其无尽单模特性,这项工作引起了广泛的兴趣,掀起了一股研究微 结构光纤的热潮。现在,一般按照导光机制将光子晶体光纤分为折射率导引型 (Index-guiding)和光子带隙型(Photonic band gap, PBG)两类屮。折射率导 引型光纤结构类似于传统光纤,纤芯均为实心的石英,差别是光纤的包层: 普通光纤的包层是实心材料,其折射率稍低于纤芯;而PCF的包层则是具 有一定周期排列的多孔结构,包层也可不是周期性排列。导光机理与常规 的阶跃折射率光纤相似,即基于(改进的)全反射(modified total internal reflection, M-T1R)原理。由于包层中的空气孔，降低了包层的有效折射率， 从而满足“全反射”条件,光波被束缚在芯区内传输。这类光纤具有很多 特殊的非线性光学效应。光子带隙型(Photonic band gap, PBG)PCF的最大 特点是:纤芯有空气孔，即纤芯为空芯。这类PCF的导光机理是基于光子 禁带效应,即特定频率的光波,以各种不同的角度进入光纤后,由于光纤 结构形成的禁带,这些不同角度进入光纤的光波,就被周期结构的包层形 成的禁带所束缚,无法沿径向穿出光纤,光纤被局限在纤芯的空气孔通道 向前传输。所以这类PCF称为光子带隙导光型,利用禁带效应导光而不是 全反射。光子晶体光纤特性,如下:第一:无截止单模特性 数值模拟和实验研究均表明,PCF的占空比越 小,单模区越宽。当占空比小于0.406时,光子晶体光纤可以实现无截止的 单模传输。第二:可控非线性特性传统光纤由于有效模场面积受限制,要得到较 高的非线性系数,只有想办法提高纤芯的非线性折射率系数,通常的做法 是在纤芯玻璃中掺杂（错或金属元素）或直接使用高非线性折射率材料。PCF 模场面积与结构有很强的关系,一般而言,占空比越大,模场面积越小, 进而非线性系数越高。通过结构设计,将模场面积控制在合理范围,可以 得到预期的非线性系数。第三:灵活控制的色散特性光纤的色散特性直接影响光信号传输时的 脉冲形状,限制通信容量。光纤色散主要包括波导色散、材料色散和模式 色散三种。常规光纤是通过在石英玻璃中掺杂,形成在横截面上一定折射 率分布制成的,由于材料不匹配会造成光纤损耗，因此纤芯和包层折射率 不能相差太大。PCF由单材料制成,纤芯和包层可以得到完美的力学和 热学匹配,从而可以在非常宽的波长范围内获得较大或较稳定的色散。通 过合理调节空气孔尺寸、排列方式和间距,就可以实现各种期望的色散特 性。第四:高双折射特性高双折射是光子晶体光纤的另个重要特性，普 通双折射光纤是通过引入形状双折射或应双折射制作的,这就大大增加 了制作工艺的难度和制作的成本。但利用PCF灵活的结构设计就比较容易 实现双折射,只需要将PCF中空气孔排列结构中心对称性破坏,比如在某 对称方向上减少定空气孔或者改变空气孔尺寸,就可以实现很高的双 折射。目前,国际、国内对光子晶体光纤的理论研究主要包括数值模拟方法的 改进、新方法的提出、对光子晶体光纤特性的分析等。光子晶体光纤的数 值模拟方法主要有:有限元方法、平面波展开法、有限时域差分方法、多极 法等。光纤光栅传感器是种典型的波长调制型光纤传感器,具有抗干扰能 强,传感单元结构简单,尺寸小,测量结果重复性好,标定后可对外界 参量实现绝对测量,便于形成传感网络,生产艺成熟等优点,被广泛应 用于土木工程结构、电工程、石油化工、航空航天、医学、船舶等领域。 2003年,N.Grootho等首次报道了基于PCF的光纤光栅，该光纤光栅 具有良好的高温稳定性,在500c时的透射光谱与常温时的透射光谱儿乎 样,可以有效避免光纤传感中由温度引起的交叉敏感对传感灵敏度的影 响。2007年,Nikolaos John Florous ”等人将PCF光栅用于流体传感器, 研究表明其热光灵敏度响应优于传统FBG光纤光栅。2007年,Shu-Guang Li网等人讨论了如何提高折射率引导型PCF气 体传感器的灵敏度,指出尽管空气孔间隔较小,空气填充比较大的结构能 够提高气体检测灵敏度,但同时导致PCF的模场面积过小,出现很强的非 线性效应。他们设计了一种新的PCF结构,以解决上述问题。2008年,Hautakorpi,等人展示了由波兰玛丽大学拉制的三孔结构 PCF-SPR传感器，这种结构是对传统传感器结构的一大创新，三个大孔径 的微流体通道使金属镀膜和待测样品填充更加容易。2008年Patrick Tomas Martyr等人乂报道 了-一种 SF-PCF-MF 型光子晶 体光纤气室,该气室的特点是PCF与普通光纤之间有8度夹角,可以有 效减小光在PCF与普通光纤之间传播的菲涅尔反射。实验证明这种气室可 以用于直接光谱吸收、腔增强吸收等气体传感等方面。2009年甘辉、王前莉”将PCF应用到血糖监测系统,罗涛、顾铮 先将其应用到生物和化学领域,并且以PCF为载体的传感器也在各个领域 展现其优越性。2010年Mahtew初等提出了一种基于反射模的光子晶体光纤湿度检测 干涉仪,使用此种干涉仪制作传感器头不需要使用任何的湿性材料。光子 晶体光纤独特的空气穴结构使其可以用于气体传感。2011年徐圣奇、董长哲等从吸收光谱的测量原理出发,提出一种基 于空芯光子晶体光纤的气体检测装置实验方案,通过对不同浓度的甲醇和 三氯乙烯样品进行测量并根据3 0标准对测量结果进行分析,发现系统对 甲醇和三氯乙烯的检测灵敏度可以达到ppmv量级。2013年潘崇麟,惠小强等冏从理论上探讨了一种使用光子晶体光纤对 3种参量温度、应和气体浓度同时传感的方法,并设计了相应的传感解调 系统，其结构相对简单,性价比相对较高。随着光纤技术的不断发展,新型光纤不断出现（叫如极低双折射单模光 纤,高双折射光纤,特殊参杂光纤以及光子晶体光纤等。对新型光纤的传 感特性进行分类别,分应用领域,细化结构参数,综合光源及探测器等系 统特性的传感应用研究是当前传感技术的发展方向之一。1.7 本论文研究主要内容(1)研究比较各种气体浓度检测方法,分析光纤传感的国内外研究现状 与发展趋势,问题等等。掌握光子晶体光纤的特性,分析其应用于光纤传 感的优势。(2)光谱吸收式气体检测机理的研究。分析气体分子光谱的一般形式及 倍频和泛频吸收谱线产生的原因,气体分子吸收光谱线型、线宽及其影响 因素给出气体吸收测量的理论基础,为传感器数学模型的建立奠定理论基 础。(3)分析光纤气体检测方法:谐波检测、差分检测的原理,设计两种方 法用来测量甲烷气体浓度的系统结构。(4)气体浓度检测系统的设计。分析检测系统中所用光源、光电探测器、 气室、滤波电路和信号转换及处理部分的性能和技术指标。研究锁相放大 电路、光源驱动电路,温度控制电路等电路系统。(5)根据现有实验器材进行实验研究，进步理解甲烷气体光纤检测系 统的原理。第2章 光纤气体检测机理分子光谱是研究分子结构,分子内部运动及分子之间相互作用的有力 工具。根据能级跃迁理论,气体分子对入射光具有选择吸收性。本章基于 气体分子的近红外吸收理论,给出气体吸收检测的理论基础,为传感系统 的设计提供理论依据,并给出了甲烷的吸收谱线。2. 1气体分子光谱理论物质分子和光相互作用,对光产生的吸收、发射或散射,将物质吸收、 发射或散射光的强度对频率作图所形成的关系就是分子光谱。分子光谱比 原子光谱复杂得多,按光的电磁理论,分为可见光、紫外光、红外光。红 外光又可分为:(1)近红外光谱波长范围0.753.0pm； (2)中红外光谱波 长范围3.6.0pm； (3)远红外光谱波长范围6.150pm。2.1.1 分子的运动形式及能级结构分子由若干原子核和电子组成。与原子的情形类似,分子也是具有i 系列不同的量子状态,相应地，也有一系列的分立能级,当分子由一个能 级跃迁到另个能级时也将吸收或发射一定的电磁辐射,从而形成分子光 谱分子的内部运动包括电子相对原子核的运动、原子核在其平衡位置附近 的振动和分子绕着通过质心的转轴作转动。分子的总能量可以写成:E = E+E+Er(2-1)式中,与电子运动的能量:振动能量:E,转动能量。一般地说从大到小 顺序为纥、E。根据量子力学理论,分子中电子的运动,原子的振动 和整个分子的转动状态都是不连续的。因此分子的总能量E以及其中的电 子能量耳、振动能量E,和转动能量都是量子化的。由分子内部运动状 态分析，AE,的变化范围约为儿个至十儿个电子伏特,耳约为百分之儿至 十分之几个电子伏特，而纥的范围可以从十万分之几达到百万分之几个电 子伏特,所以纥 E, A£ro如果分子只是转动能量发生变化,而电 子能量和振动能量不改变,即AE；=O, A£v =0o这时所得到的光谱称为分 子的纯转动光谱,或称为分子的转动光谱。由于转动能级之差很小,所以 转动光谱都处于大于25 gm的红外区（25600卩m）乃至微波区。如果分子的 振动能量和转动能量同时发生变化,但电子能量不变化,这时随着振动能 量的变化,转动能量也将发生变化,所得到的光谱称为振动转动光谱,也 可简称为振动光谱。因为分子的振动能量差不多一般在0.051 eV范围内, 所以分子振动的基频转动振动光谱处于2.525 gm范围,而振动的泛频区 出现在0.752.5 pm范围。如果分子的电子能量发生变化,振动能量和转 动能量也随之发生改变,这时产生的光谱包括电子、振动、转动结构，十 分复杂,称为电子振动转动光谱，通常简称电子光谱,出现在可见区或 紫外区。2.1.2 多原子分子的跃迁能级结构及其光谱气体分子中除了少量单原子、双原子分子以外,绝大部分都是多原子 分子。多原子分子的振动光谱取决于多原子分子的振动方式。最简单的模 型是分子的简正振动。如果把分子体系看成由N个原子构成,由于每个原 子有3个自由度,所以它共有3N个自由度。其中有三个自由度属于分子整 体的平动运动,三个属于它的转动运动（但线型分子仅有两个转动自由度）, 剩下的3N-6个（线型分子为3N-5个）就代表整个系统的振动自由度。每 个振动自由度具有一种基本振动方式,这些基本振动方式使分子产生一些 特征振动方式,称之为分子的简正振动方式。因此,每个简正振动方式 具有一个与之相应的振动基频。简正振动方式的个数等于分子的振动自由 度。只有某种振动方式能引起分子电偶极矩的变化而产生红外光谱，称这 种振动方式是红外激活的;如果分子的某种振动方式不能引起分子偶极矩 变化,就不能产生相应的红外光谱,因而称这种振动方式为非红外活性的。 除去简并和非红外活性的情况就是气体分子对外显示的振动基频光谱,一 般出现在中红外区域。同时对任何个简正模式,由于振动不是完全的简 谐振动。按照非谐振子模型（选律是Av=±l±2）,除了基频跃迁以外, 还可能发生从=0 （其中为量子数）到其他能级的跃迁。这些跃迁将使这 种简正模式激发到1的能级,从而产生吸收频率是基频整数倍的现象称 为倍频。多原子分子中,除了基频和倍频以外,还有合频和差频等现象。分子因吸收个光子引发两种或两种以上简正模式的基频跃迁而产生合 频;另外某些原先被激发的模式也会在新的激发过程中将能量传递给新模 式,同时自身返回振动基态,这过程所吸收光子的频率等于发射和吸收 两个模式基频的能量差,即产生差频。气体分子振动的倍频、合频、差频 光谱一般出现在近红外区域,与中红外的振动基频光谱相比，光谱强度低 两到三个数量级。2.1.3 气体分子吸收线形与展宽所谓光的吸收,就是指光波通过介质后,光强度减弱的现象。根据朗 伯比尔定律,光在均匀介质中传播时的吸收情况为:/ = /0 exp(-aCL)(2-2)式中,a为气体摩尔分子吸收系数,单位是cm,C为被测气体的浓度(体 积分数)，为光和气体的有效作用长度，单位cm。介质的吸收系数a随光波长的变化关系曲线称为该介质的吸收谱线。 有些媒质，在一定的波长范围内,吸收系数a不随波长而变,这样的吸收 称为一般吸收,反之;吸收系数a随波长而变的吸收称为选择吸收。根据 上面的分析可知,不同能级的跃迁将产生相应的光谱,分子的红外光谱包 括纯转动光谱和振动转动光谱。在理想化的近似描述中，把每一条光谱线 对应个确定的频率,也就是说,其光谱轮廓只用一条没有宽度的儿何线 来表示。实际上,对于任何一条光谱线进行测量,它们总是具有一定的频 率宽度,而每条光谱线宽度也不一样,形成了每条光谱线所特有的形状, 其形状如图2-1所示:若用P（）表示辐射功率按频率的分布,则描述光谱形状的线型函数g（）为:g（）=号（2-3）其中,P为辐射的总功率,即:p=P（）d（）（2-4）根据上式有:匚g（）d（）=1（2-5）此式称为线型函数的归化条件。线型函数在。处取得极大值g（。）,称。为该光谱线的中心频率。g（。） 在为土学处下降到最大值的一半,即g（%土第f仇）其中称为谱 线的宽度。根据光谱展宽形成的主要原因，光谱展宽可分为三种：自然展宽、碰 撞展宽和多普勒展宽，下面分析光谱线的展宽及相应的线型函数。（1）自然展宽（natural broadening）处于高能级的分子有自发向低能级跃迁并发射能量为的光子的特 性,这个过程称为自发跃迁。由于自发跃迁,分子在激发态上只有有限的 寿命,根据能级宽度AE和寿命之间的测不准关系是A£xrNh/27,分子 在激发态上就不可能具有确定的能量,也就是说激发态能级有一定的宽度。 这样,辐射的谱线就有一定宽度。由于这种增宽是必然存在的，所以称为 自然展宽。谱线的自然宽度n为:(2-6)A£ 1匕v=一 =h 2m经典物理学认为，辐射的发射与吸收过程，就是带电阻尼振子与辐射 场交换能量的过程。因此分子振动的振幅服从阻尼振动的规律,即：Z=Z0expf-texp(z'2vot)(2-7)式中,为衰减常数。结果就不再是频率为的单频率振动,这是形成 自然展宽的原因。利用傅里叶变换可求得自然展宽的线型函数为:经典理论中的衰减系数和量子理论中原子在激发态上平均寿命7之间的关 系是:t=-（2-9）/