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.pdf

本 科 毕 业 设 计（论 文）基 于 3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 号 一 学 生 姓 名 业 级 专 班 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 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（、/）2.论 文（）题 目 来 源 科 研 课 题（V）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 1 4 周 第 5 8 周 第 9 1 1 周 第 1 2 1 5 周 第 1 6 1 7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 摘 要 近 年 来，煤 矿 生 产 事 故 频 发，且 以 瓦 斯 爆 炸 为 主，给 矿 工 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、一 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 一 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 一 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 法燕 山 大 学 本 科 生 毕 业 设 计（论 文）AbstractRecently,the coal mine accidents in our country,especially gas exploding,happened frequently,which has endangered the miners,lives and the safety ofthe national properties.Air pollution has seriously affected peoples health andlife.For the bad gas like methane,carbon monoxide,sulfureted hydrogen,thesafe and effective gas detection system isurgently needed.Fiber gas sensing is ahigh sensitivity developing gas detection technique.Gas concentrationmeasurement is the paper9s purpose.The theme is an optical fiber gas sensorusing photonic crystal fiber.The main contents are as follows:First,the research actualities and progress directions of fiber gas sensor innation and abroad are discussed.The influence factors and key techniques offiber gas sensor are analyzed.And the characteristics of photonic crystal fiberare analyzed.The basic principle of gas absorption measurement is giventhrough the analysis of molecule spectrum theory.Thus,the basic principle ofsensors mathematical model is given.And then discusse the harmonic gas detection,detection of differenceprinciple,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 andstructure design of the are introduced seriously.Then according to the theexisting laboratory equipment simple experimental research has been completed.Keywords；M ethane;Photonic crystal fiber;Detection of optical fiber gassensor;Harmonic;Differential absorption method;目 录 摘 要.IAbstract.II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.1 12.1 气 体 分 子 光 谱 理 论.1 12.1.1 分 子 的 运 动 形 式 及 能 级 结 构.1 12.1.2 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-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.27III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.34422PC F 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 力.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 1.54附 录 2.68IV附 录 3.89附 录 4.110v第 1章 绪 论 第 1章 绪 论 1.1 课 题 背 景 在 工 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%o矿 井 中 瓦 斯 的 主 要 成 分 是 甲 烷，约 占 83 8 9%,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 工，电 力 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 一 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 一 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 I燕 山 大 学 本 科 生 毕 业 设 计(论 文)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 力 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 一 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 一 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 1.3.1 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 1-1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 2第 1章 绪 论 光 纤 光 栅 加 工 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 2 0 0 0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 一 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 8 0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 C O 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 1.57g m 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 C O 的 吸 收。2 0 0 6年 王 艳 菊，王 玉 田 等，基 于 光 谱 吸 收 的 检 测 原 理，利 用 通 用 的 L E D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 4.2 4.4 R m波 段 的 吸 收 谱，使 用 中 红 外 器 件，并 且 使 用 了 传 播 1 6 p m 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 璟,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 3燕 山 大 学 本 科 生 毕 业 设 计(论 文)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，一 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；二 是 研 究 开 发 微 弱 信 号 检 测 技 术，进 一 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。1.4 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 1-1所 示。表 1-1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 倏 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 Ringdow n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 4第 1章 绪 论 这 种 技 术 利 用 气 体 在 石 英 光 纤 透 射 窗 口(0.8 g m-1.7卜 im)内 的 吸 收 峰 测 量，由 于 气 体 吸 收 产 生 的 光 强 衰 减，根 据 BeerLam bert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 口 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 一 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 一 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、F o u rie r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 一 种 功 能 型 光 纤 传 感 器。从 本 质 上 说，可 以 认 为 是 一 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(D-fib e r),使 得 包 层 中 的 一 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 一 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 5燕 山 大 学 本 科 生 毕 业 设 计(论 文)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 i 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 p H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 p H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 一 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 i 光 纤 气 体 传 感 器 与 激 光 气 体 光 谱 检 测 技 术 相 比，一 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 一 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 1 按 其 工 作 原 理 可 分 为 时 分 复 用 TDM(Time Division Multiplexed),频 分 复 用 FDM(Frequency DivisionMultiplexed),码 分 复 用 CDM(Code Divis沁 n 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 6第 1章 绪 论 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。1.5 新 型 光 子 晶 体 光 纤 传 感 概 述 1987年，sjo h n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。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 PC F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 internalreflection,M-TIR)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)PC F的 最 大 特 点 是：纤 芯 有 空 气 孔，即 纤 芯 为 空 芯。这 类 PC F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 网 如 下：第 一：无 截 止 单 模 特 性 数 值 模 拟 和 实 验 研 究 均 表 明，P C F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 7燕 山 大 学 本 科 生 毕 业 设 计（论 文）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