（光学工程专业论文）大气监测光纤气体传感器的研究.pdf

博士论文大气监测光纤气体传感器的研究 摘要 论文对国内外用于大气监测领域的光学监测方法的研究进行了深入分析和 阐述，光谱吸收分析仍然是一种主要方法，存在的主要问题是监测装置的吸收池 长期可靠性不高。为改善吸收池的长期可靠性，提出了基于直角棱镜和角反射镜 构造传感器吸收池的方法。对此结构吸收池的工作原理和探测光束的传输规律进 行了深入分析和讨论，建立了基于直角棱镜和角反射镜的吸收池的测量方程。以 频谱分析的方法和系统理论，设计了传感器中的光电信号处理电路，采用相关检 测方法抑制背景噪声的影响。提出了一种大气监测光纤气体传感器灵敏度的自动 设定方法。重点研究了这种传感器对大气消光系数测定、能见度测量及甲烷气体 浓度测量的应用，建立了以不同灵敏度、分时测定大气消光系数的新方法，可适 当放宽对吸收池表面污脏限制的要求。把基于直角棱镜的气体传感器用于室内气 体甲醛浓度的检测中，提高了检测灵敏度，可减少空气采样时间、提高工作效率。 分析了实时监测中，由于环境因素导致的热形变对传感器性能影响的机理；提出 了抑制热形变影响的措施和一种自动准直方法。 结果表明，基于直角棱镜和角反射镜构造的光纤气体传感器灵敏度调节简单 方便，抗环境干扰能力强，其长期可靠性高，能适应实时监测系统的应用。角反 射镜构造的吸收池稳定性优于直角棱镜结构，灵敏度调节范围稍小于直角棱镜结 构。 关键词：大气环境监测，光纤传感器，灵敏度，信号处理 博士论文大气监测光纤气体传感器的研究 a b s t r a c t i i lt h i sd i s s e r t a t i o n , t h eo p t i c a lm e t h o d so na t m o s p h e r i cm o n i t o r i n gi nt h ew o r l da r e a n a l y z e d a b s o r p t i o ns p e c t r u ma n a l y s i si ss t i l lak e ym e t h o d ，b u ti ti sad e f e c tt h a t l o n gr e l i a b i l i t yo f t h ec e l li sp o o r i no r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f t h ec e l l ，m e a n s o fc o n s t r u c t i n gt h ec e l lb a s e do nr i g l a ta n g l ep r i s ma n dt h ec o m e rc u b ea r ep r o p o s e d t h ep r i n c i p l eo ft h ec e l l sa n dt h et r a n s m i s s i o nr u l e so fp r o b i n gl i g h ta r ea n a l y z e di n d e t a i l t h em e a s u r e m e n te q u a t i o n sb a s e do nt h er i g h ta n g l ep r i s ma n dt h ec o r n e rc u b e a r ee s t a b l i s h e d p h o t o - e l e c t r o n i cs i g n a l sp r o c e s s i n gc i r c u i ti sd e s i g n e da c c o r d i n gt o f r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y s i sa n ds y s t e mt h e o r y c o r r e l a t i o nm e t h o di sa d a p t e di n o r d e rt or e d u c et h eb a c k g r o u n dn o i s e aw a yo fa u t o m a t i ca d j u s t i n gt h es e n s i t i v i t yo f t h eo p t i c a lf i b e rs e n s o ri sp r o p o s e di na t m o s p h 舐cm o n i t o r m o r ea t t e n t i o na r ep a i do n t h ea p p l i c a t i o n so ft h es e n s o rt ot e s ta t m o s p h e r i ce x t i n c t i o nc o e f f i c i e n t , v i s i b i l i t ya n d m e t h a n ec o n s i s t e n c y an e wm e t h o di sb r o u g h tf o r w a r dt om e a s n r ea t m o s p h e r i c e x t i n c t i o nc o e f f i c i e n tw i t hd i f f e r e n ts e n s i t i v i t ya n ds h e a r - t i m e t h el i m i tt od i r t i n e s s o nt h es u r f a c eo ft h ec e l lm a yb er e l a x e d t h es e n s o rs y s t e mi se m p l o y e di nt h e m o n i t o r i n go ff o r m a l d e h y d ei nr o o m t h es e n s i t i v i t yi si n c r e a s ew h i l et h es a m p l i n g t i m ei sd e c r e a s e d t h ei n f l u e n c eo f t h et h e r m a ld e f o r m a t i o ne a s e db yt h ee n v i r o n m e n t t ot h es e n s o r sp e r f o r m a n c ei nr e a lt i m em o n i t o ri sa n a l y z e d am e t h o dt or e d u c et h e e 仃e c to ft h e r m a ld e f o r m a t i o ni sp r e s e n t e da n daw a yf o ra u t o c o l l i m a t i o ni sp u t f o r w a r d t h es e n s i t i v i t yo ft h ef i b e ra t m o s p h e r i cs e n s o rb a s e do nt h ec o n s t r u c t i o n so fr i g h t a n g l ep r i s ma n dc o m e rc u b ec a nb ec o n v e n i e n t l ya d j u s t e d t h ec e l li sn o ts e n s i t i v et o t h ee n v i r o n m e n t a li n f l u e n c ea n di sr e l i a b l ef o rl o n gt i m eo p e r a t i o n i tc a l lb eu s e di n r e a lt i m em o n i t o rs y s t e m t h es t a b i l i t yo ft h ec e l lb a s e do nt h ec o r n e ri sb e t t e rt h a n t h a to nt h er i g h ta n g l ep r i s m b u tt h ef o r m e rh a sl e s ss e n s i t i v i t ya d j u s t m e n tr a n g et h a n t h a to f t h el a t t e rb e c a u s eo f t h ed i f f e r e n tm e c h a n i c a lc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：a t m o s p h e r i cp r o b i n g ，f i b e ro p t i cs e n s o r , s e n s i t i v i t y , s i g n a l sp r o c e s s i n g i i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 矽锌6 具诤 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 翻年毛只弓饵冽年荔影汨 博十论文大气监测光纤气体传感器的酽究 1 绪论 随着工业化的进程，大气环境污染日趋严重。对大气环境的监测“是评价环境 质量、控制大气污染的关键环节，光电监测技术已成为一种重要手段。本章将围绕 大气光电监测技术，分析国内外研究进展及存在的问题，概要叙述本研究解决问题 的思路和方法，介绍本研究的主要工作内容。 1 1 课题研究背景 用于气体监测分析的传感器主要有两大类：一类是氧化物薄膜或有机材料薄膜 制作的电子一化学传感器。“”，这类传感器都是利用薄膜对待测气体的吸收，使 某一物理或化学参量发生变化来感知待测气体的浓度。此类气体传感器体积小巧、 集成度高；不足之处是退吸附过程需要较长时间、长期可靠性不够高。另一类是光 学气体传感器，此类传感器是光学参量如光强度“、波长m 或相位御等受到待测气体 的作用，通过检测被调制光学参量的变化获得待测气体浓度信息。由于气象科学的 发展要求，大气光学模式常数已成为气象资料分析的重要信息来源，在现代气象探 测和大气监测技术中，光学探测技术正发挥着越来越重要的作用。欧美各发达国家 及日本等均在相关技术和监测设备的研发方面作了大量的投入，研制出了多种大气 监测传感器或探测设备。按探测区域、作用距离、感测方式和工作原理的不同，主 要可分为：大气激光监测雷达。“”、光纤气体传感器“2 “”、光声光谱分析仪“”； 在线实时监测“8 州和离线实验室测量等。 大气监测技术发展主要特征表现为如下几方面： 一、大气空间探测技术 在这一发展领域，主要是激光雷达遥感技术。1 。利用激光与气体的相互作用， 即激光被气体散射与吸收，遥测大气组成的相关信息。激光雷达回波信号曲线反映 了各种大气组分随高度的分布，对回波信号进行反演处理从而获得大气参量时空分 布的信息。如某种气体的含量及垂直分布等。基于激光与物质相互作用的机理的不 同，可将激光雷达嘲分为：散射型激光雷达、吸收型激光雷达、激光荧光雷达、激 光多谱勒雷达等。 ( 1 ) 散射型激光雷达形式及作用 m e i 散射激光雷达主要用于3 0i ( m 以下低浓度的尘埃、云雾等气溶胶的探测。 m e i 散射雷达有对流层探测激光雷达和平流层探测激光雷达，前者用于对l o k m 以 下低空大气中的气溶胶和云雾等的探测，获得低空大气中的气溶胶和云雾的空间三 维信息，后者主要用于2 0 3 0k m 范围平流层气溶胶的探测。大气气溶胶的探测包 1 绪论 博士论文 括： a 大气气溶胶的定性探n - 云顶高和云层厚、尘埃烟雾等粒子沙尘瀑的迁移； b 大气气溶胶的定量探测：气溶胶光学特性的探测、消光系数的探测能见度测 量、气溶胶粒子浓度随高度的分布如火山爆发引起的大气质量变化。 r a y l e i g h 散射激光雷达其特点是散射回波的光强与光波长的四次方成反比。主 要用于3 0 一8 0k m 范围的中层大气探测，有探测高度达9 0k m 的报道汹“1 。中层大 气的探测的主要内容有： a 密度廓线的探测获得中层大气密度的垂直分布； b 温度廓线的探测获得中层大气温度的垂直分布1 ； c 中层大气重力波的探测低层大气中的扰动产生的一种波动现象。重力波向上传 播时，导致中层大气温度、密度等的强烈不稳。对中层大气的动力学过程产生 重要影响。 h a m a n 激光雷达这种雷达的原理是利用被测介质存在的非线性光学效应。在强激 光作用下，被测介质产生r a m a n 散射，激光雷达接收到的散射回波光波长与发射 光波长不同，发生了s t o k e s 和反s t o k e s 位移。由于r a m a n 散射不是共振过程，任 何波长的激光均可使任何种类的介质分子发生主r a m a n 散射。因此，r a m a n 激光雷 达不受激光波长的限制，其光谱分辨率很高，但r a m a n 散射的散射截面太小，要求 高灵敏度的信号检测系统。主要用于低空大气组分的探测： a 湿度廓线的探测获得低空大气湿度的垂直分布( h 2 0 ) ； b 温度廓线的探测获得低空大气温度的垂直分布( n 2 ) ； c 大气污染的探测s o ：，c o ，n o , ，c 也，c 乩，h 。c 0 。，h 2 s 等大气污染物。 ( 2 ) 差分吸收激光雷达汹硎这种雷达的基本原理是光度分析法，多采用双波长发 射和双波长接受，目前还发展了三波长差分法，其特点是灵敏度高，一般可达p p m 量 级，对某些气体灵敏度达p p b 量级。可排除探测光束传播过程中受到散射等非吸收 作用产生的影响。主要用于： a 臭氧的探测“3 ： b 大气污染物的探测。 ( 3 ) 激光雷达技术发展趋势由于大功率半导体激光器的研制成功及可调谐呻1 激光 技术的应用，大气监测激光雷达正向实用化，小型化，高精度，高光谱分辨率，短 波长发展：出现了机载和车载激光雷达，采用相干差分检测法油糟1 处理回波信号； 为获得与待测气体最大吸收相对应的谱线，采取多种激光技术综合运用的方法，如 四倍频加喇曼频移“”等。总体上说，大气监测激光雷达的价格仍将是昂贵的，目前 仅有少数中心区域台站装备了激光雷达，大范围普及还需相当长一段时间。 2 博士论文 大气监测光纤气体恃感器的研究 二、近地大气监测光纤网络 光纤网络监测系统的基本组成单元是光纤气体传感器。光纤传感器是上世纪八 十年代发展起来的一类新型传感器，以介质光波导为传输媒介，以光子为载体， 获知和传输被测量的相关信息。与其他类型的传感器相比，有许多不可比拟的优点， 光纤传感器电绝缘性能好，不产生电磁干扰、抗电磁干扰与抗辐射性能好，抗腐蚀 能力强，适合子易燃易爆高电压等恶劣环境中工作，质量轻，体积小，易弯曲，空 间适应性强，可实现遥测并易与计算机系统联接，响应快、频带宽，能进行实时在 线检测，可检测的物理量广泛。早在上世纪八十年代初期，光纤传感器即被用于环 境污染的实时监测。”。随着国际社会对大气中c h 4 、c o 、s 0 2 、n 0 2 、0 3 等有害气 体的关注，在上世纪九十年代，出现了多种旨在监测大气中有害气体含量的光纤气 体传感器1 ，其典型结构有如下几种基本形式。 ( 1 ) 光谱吸收型光纤气体传感器m “1 光谱吸收型光纤气体传感器基本结构如图1 1 所示。一般情况下，待测气体的 图1 1 光谱吸收式气体传感器的基本结构 f i g 1 1e l e m e n t a r ys t r u c t u r eo f s e n s o rb a s e d0 1 1a b s o r p t i o no f g a s 浓度满足b e e r - l a m b e r t 定律，波长为a 的探测光，输入功率为l ( 旯) ，经长度为，的 待测区域后的输出光功率l 。( 五) 可表示为： k ( 五) = l ( 2 ) e x p - a ( 2 ) e 1 ( 1 1 ) 其中口( a ) 为待测气体对波长为五的光的摩尔吸收系数，f 为待测气体的浓度。若探 测光束不但受到待测气体的吸收作用，还受到散射等作用时，则应以消光系数( 五) 代替吸收系数。( 1 ) 改写为： j 。( 五) = j 。( a ) e x p 卜k ( f 】 ( 1 2 ) 以光谱吸收理论为基础，研究工作向着提高检测灵敏度、改善装置信噪比和提 高装置可靠性诸方面发展。为提高检测灵敏度，发展了长程吸收池汹“1 ，光与待测 气体的作用距离可达5 0 0 m - - 2 o k m 。在光信号检测技术方面，采用差分吸收法啪“ “删、谐波法啪川和微分光谱法嘲，使被测气体浓度的测量误差降低在1 0 以下。 近年来还发展了相关光谱检测法1 ，其原理是将探测光束通过光纤顺序经过两 ! 堡丝 堡主丝塞 个气室，检测参考气体与待测量气体吸收谱线相关度的变化幅度来获得待测气体浓 度的信息，其目的是抑制非相关气体的干扰，从而提高系统的性能。 在光路结构方面，普遍采用单光路单波长或双波长、双光路单波长或双波长等 方案。多光路结构、时分复用技术也开始应用到光纤气体传感器之中m 。 在光源及波长变换技术方面，开始采用大功率半导体激光器和可调谐技术嘟“”， 使光源结构紧凑，光谱范围广。文献5 7 用工作于不同波长的两个半导体激光器， 借助非线性光学中的差频技术，实现了从3 3 4 4 i i m 的光谱调谐，这些波长的激 光可用于c h 、c o ：、h 2 c o 等痕量气体的探测。 光谱吸收式气体传感器主要优点是灵敏度高、响应快、能对多种气体同时测量。 目前，测量灵敏度对部分气体已达p p m 量级，某些气体已达p p b 量级以下。存在的 主要问题是：实时系统中，温度、湿度变化较大，光电探测器转换效率与光源的发 光特性都将变化；光学元件的污脏对系统光传输性能及长期可靠性有影响；此类传 感器的结构较复杂，对环境稳定性要求较高。尽管如此，光谱吸收式气体传感器仍 然是主流，进一步提高检测精度和长期可靠性、将其推向实用化是主要的研究方向。 ( 2 ) 渐逝场型光纤气体传感器 渐逝场型光纤气体传感器是将光纤波导的包层去掉，形成所谓d - - s h a p e d 光纤， 即光纤的横截面为d 形。d - - s h a p e d 光纤渐逝场的强度与光纤折射率分布、光纤芯 直径及平面和光纤芯之间的距离d 有关。这种气体传感器灵敏度与d 距离和光纤芯 直径的大小有关，d 越小，灵敏度越高h 1 。 渐逝场传感器结构简单，灵敏度比直接光谱吸收法低，增加d 形区的长度可提 高传感器的灵敏度。存在的主要问题：表面污脏对灵敏度和响应时间影响较大。研 究表明水气等均会对其性能产生重要影响h 7 1 。 ( 3 ) 荧光型气体传感器 这种气体传感器的原理是利用物质的荧光效应，如荧光强度和荧光寿命的变化 实现气体浓度的检测。光纤将激励光束传送到测量区域，一种作用机制是待测气体 本身受激励光束照射辐射荧光，荧光强度与该气体的浓度有关m j m = l 玎o ( 1 一p 一州椰4 ) ( 1 3 ) 其中a 为激励光波长，l 为激励光强度， 弱吸收情况下，( 3 ) 式可改写为 i m = l 胡a ( 3 ) c 1 为荧光量子效率，为荧光强度在 荧光强度，伽与待测气体的浓度近似成正比。 4 ( 1 - 4 ) 堕主堡塞查墨些婴堂堑墨竺堡堕兰堕曼墨 另一种机制是荧光物质吸收激励光而辐射荧光，处于激发状态的荧光物质在被 测气体的干扰作用下，其荧光辐射强度及寿命都将受到影响。这种影响可用 s t e r m - v o l m e r 方程描述蝴 上：三；1 + k c lot o ( 1 5 ) 、，。和f 、l 分别为有和无荧光猝灭物质时的荧光强度和寿命，足为s t e r m - v o l m e r 常数。测量荧光强度和荧光寿命即可获得被测物质浓度的信息，荧光强度易受环境 温度变化的影响。因此，荧光型气体传感器不适合实时监测中使用。 ( 4 ) 染料指示剂型光纤气体传感器嘲 染料指示剂型气体传感器是利用待测气体与其相互作用后，改变其光传输性能 的方式来感知待测气体的浓度信息。一般情况是在待测气体的作用下染料指示剂的 吸收系数或投射率发生变化，此变化的程度与待测气体的浓度有关。这种传感器体 积小巧，结构简单；易受环境变化的影响，响应速度较慢。 ( 5 ) 折射率变化型光纤气体传感器啪“嘲 折射率变化型光纤气体传感器是一种利用化学材料吸附待测气体改变其折射 率构建的气体传感器。将吸附待测气体后能改变折射率的材料代替光纤的包层，或 涂敷在纤芯表面，折射率的变化导致光纤损耗的变化或使光的相位改变。这种传感 器常采用干涉仪检测相关强度或相位变化的信息，从而获得待测气体的浓度。此类 传感器结构简单，但吸附材料的退吸附时间长，因而其动态特性较差，吸附材料易 受污染致使长期可靠性差；另一方面，在相位检测中，干涉仪参考臂易受环境变化 而产生附加的相位噪声。因此，这种传感器不宜在实时检测中使用。 近年来，出现了光子晶体构造的全光纤气体传感器1 和聚合物波导光纤气体传 感器嘲1 ，其目标都是为了提高传感器的灵敏度。光谱吸收式光纤气体传感器的研究 正在向实时在线、多组分嘟1 、高精度、自动化方向懈“州发展：在光源选用方面， 半导体发光器件及各种光谱调谐技术已被大量采用；为提高传感器的工作效能和减 小光束接收对准误差的影响，引入图像探测器陬嘲如c c d 面阵同时接收不同波长的 探测光束。 综上所述，光谱吸收型光纤气体传感器与其他形式光纤气体传感器相比虽然结 构较为复杂，但其灵敏度高、响应快、无退吸附效应、长期可靠性相对容易得到改 善，仍然是实时监测装置中的首选结构形式。本研究的主要内容是研究一种能对大 气中的某些气体和大气光学模式常数进行实时监测的方法和系统，选择光谱吸收传 1 绪论 博士论文 感方式。 1 2 本论文的主要研究工作 本文所研究的内容是科研项目的一部分，研究了一种能用于大气实时监测的光 纤气体传感技术，对光纤气体传感器的光路系统，电子线路系统，光电信号处理技 术等进行了设计与研究，并对这种传感技术的典型应用进行了研究。本文对此分别 进行论述。 ( 1 ) 对光谱分析式光纤气体传感器的传感元件进行了深入研究。首次将直角 棱镜和角反射镜引入到吸收池中，用直角棱镜和角反射镜构造传感器的吸收池。对 基于直角棱镜和角反射镜的吸收池的光传输特性进行了分析和研究，建立了光传输 方程。光束在吸收池内往返传播的次数与过两直角棱的对称面或两角反射镜对称轴 的间距有关。由于直角棱镜和角反射镜对光束的摆动不敏感，从而提高了吸收池的 稳定性和长期可靠性，在实时监测系统中，降低了对环境的要求。 ( 2 ) 对基于直角棱镜和角反射镜的气体传感器，在单波长测量、差分分析和 导数光谱技术等应用情形的灵敏度进行了分析和测定，建立了相应的传感器测量方 程。它们的灵敏度都与光束在吸收池内往返传播的次数成正比。改变光束往返传播 的次数即可实现测量灵敏度的调节。 ( 3 ) 基于吸收池的光传输方程，研究了种传感器灵敏度调节技术，实现了 大气实时监测中光纤气体传感器灵敏度的自动设定。 ( 4 ) 基于信号处理理论，对光纤传感器中的光电信号进行了详尽的分析，为 系统电路设计提供理论基础。在信号处理中，将选通滤波与相关监测结合运用。 ( 5 ) 设计了光纤气体传感器系统中各环节的电子线路，并进行了参数计算。 形成了基于单片机的光电信号处理智能系统。测量结果可进行与微机间的实时传输 或阶段性读取。 ( 6 ) 对基于直角棱镜和角反射镜的气体传感器的测量误差影响因素及环境因 素变化对其影响进行了分析和观测，提出了相关改进措施和一种旨在减小光束对准 误差的自动对准技术。 ( 7 ) 结合作者所承担的科研项目对此传感器用于大气光学参数、甲烷和甲醛 的测量方法及其特点进行了研究。获得一些创新结果。 6 博士论文大气监测光纤气体传感器的研究 2 光纤传感器基本原理 光纤传感技术出现于上世纪8 0 年代，与其它传感方式相比有许多不可比拟的 优点，并在气体浓度测量领域得到广泛应用。从作用机理来认识，光纤传感器呻1 是 利用光纤传播的光波参量如强度、频率、波长、相位和偏振态等随被测参量变化而 变化，并通过检测光波参量变化感知被测参量。本章简要介绍光纤传感器的一般原 理，重点分析本研究中对传感器中的光源、光纤和光电探测器的选用原则，叙述为 抑制噪声拟采取的一般措施。 2 1 光纤传感器原理及分类 通常情况下，光源发出的经光纤传送到传感区，在传感区，光波与被测量相互 作用，使光波参量受到被测量的调制，被调制的光信号再经光纤传送到光电探测器， 光电探测器将光信号转变为电信号，并由信号调理电路进行处理，最后经解调获得 被测量。光纤传感系统的一般组成如图2 1 所示，主要包括光源、光纤、传感单元、 光电转换元件和信号调理电路等五部分。 图2 1 光纤传感器的拘成 f i g 2 1s t r u c t u r eo f o p t i c a lf i b e rs e n s o r s 按照光纤在传感器中的作用，可将光纤传感器分为功能型和非功能型两类。在 功能型传感器中，光纤既是传光元件又是敏感元件；在非功能型传感器中，光纤仅 起光信号传输作用，需要功能型的元件感测被测量。 按光与被测量相互作用机理的不同，可将光纤传感器分为强度调制型、频率调 制型、波长调制型、相位调制型和偏振态调制型五类。从某种意义而言，光谱分析 式光纤气体传感器中，对确定单色波长的传感方式，可认为强度调制型传感器；而 光谱分布型传感方式，则是波长调制型传感器。 2 2 光纤的结构和分类 2 2 1 光纤的一般结构 光纤是一种多层介质结构叭1 的对称圆柱体光波导。一般结构如图2 2 所示，由 2 光纤传感器基本原理博士论文 纤芯、包层、涂敷层和护套等构成。 纤芯直径一般为5 - - 7 5 9 m ，某些特殊应用的光纤芯径达2 0 0 i t m 以上，通常纤 芯的基体材料是二氧化硅，也有的光纤芯为塑料或某种液体。 包层是一层折射率略低于纤芯折射率 的介质材料，它与纤芯一起构成光波导， 包层可以是单层亦可以是多层。包层直径 通常为1 0 0 - - 2 0 0 p m 。 涂敷层一般为硅酮或丙烯酸盐，起着 纤芯 隔离杂光的作用。 护套般为尼龙或其他有机材料，有 时还采用铠装，目的是增加光纤的机械强 度，起到保护作用。 2 2 2 光纤的分类 图2 2 光纤结构示意图 f i g 2 2d i a g r a mo f o p t i c a lf i b e r $ i r u e t t l r e 根据光纤的结构、折射率分布、光传播特性和用途的不同，可将光纤分为如下 几种类型。 ( 1 ) 阶跃折射率分布光纤( s i o f ) 和渐变折射率分布光纤( g i o f ) 一、阶跃折射率分布光纤其特点是光纤芯折射率n ，和包层折射率啦均为常数，且 有啊 ，折射率分布可表示为： 町) = ：黜 ( 2 - ) 此处，口为光纤芯半径。通常引入相对折射率差来表征光纤芯折射率与包层折射 率间的差别： ：颦。竺! 二1 2( 2 2 ) 2 1m 二、渐变折射率分布光纤光纤芯折射率沿径向随半径，增大而递减，也称为渐变折 射率光纤，在光纤芯轴线处折射率最大，在包层与纤芯分界面处折射率最低，对多 数渐变折射率光纤，折射率分布可用下式描述： 时) ：扣也( 和n 【 刀2 ( o r 口) ( 2 3 ) 驴 口) 此处为光纤芯轴线处折射率与包层一纤芯分界面处折射率之相对差。g 称为折射 8 苎主丝苎奎墨竺塑垄堑! 堡堡壁堡堕里塞 率分布参数，当g 寸0 0 时，( 2 3 ) 式变为( 2 2 ) ，该光纤成为阶跃光纤；当g = 2 时， 为平方律分布或抛物线分布光纤，此类光纤具有自聚焦效应；g = 1 时，为三角分布 光纤。图2 3 是几种典型光纤的折射率分布。 一( ，) 0 n ( r ) 0 n p ) m椎 厂广 产io l _ l r - l 啼 00 图2 3 几种典型光纤的折射率分布 f i g 2 3t y p i e a ld i s t r i b u t i o no f i n d e xo f o p t i c a lf i b e r ( 2 ) 单模、多模光纤 模式是光纤的一种非常重要的特性，在光纤通信中，它对通信距离和通信容量 有决定性的影响。把仅能传播一种模式光波的光纤称为单模光纤，这种光纤无模式 色散；把允许两个及其以上模式光波传播的光纤称为多模光纤。光纤中允许的传 导模式数可用下式估算： m = l y 2 ( 2 4 ) 2 ( g + 2 、 其中v 为光纤的归一化频率，由光纤的结构参数决定，定义为 y = 口厢：孕p 1 1 五 ( 2 5 ) 此处，七。为真空中的光波波数，厶是真空中的光波长。 对于确定的光纤结构，该光纤是否单模运转的条件由归一化频率截止条件决 定。阶跃光纤实现单模运转的条件是v 形= 2 4 0 4 8 。值得一提的是：一根实际的 光纤对某波长是单模运转，而对另一波长则可能为多模运转。在光纤传感技术中， 通常使用多模光纤。 ( 3 ) 通信光纤和非通信光纤 一、通信光纤以单模光纤为主，要求低损耗和低色散。 二、非通信光纤旨在满足特殊要求的光纤，如保偏光纤嘲，低双折射光纤和高双 2 光纤售感器基本原理博士论文 折射光纤，激光光纤，红外光纤，液芯光纤等。光纤传感器中使用的光纤大部分属 于非通信光纤。 2 3 光在光纤中的传播 光在光纤中的传播规律可用射线理论和波动理论描述。射线理论直观、简单， 能对光的传播方向和强度进行描述。波动理论则须利用麦克斯韦方程组和光纤波导 的横向边界条件求解“删，它能描述波场的传播常数和波场分布，可获得光在光 纤内的全部信息，如传播方向、强度分布、波场相位和偏振态等。 光线在光纤中的传播依据的是全内反射原理，在均匀介质内光线作直线传播， 光线在分层介质内传播时遵从菲涅耳定律。 2 3 1 光在阶跃折射率光纤中的传播 如图2 4 所示，光线a 以角度口入射到光纤中，再以口角入射到纤芯一包层界 面，由于入射角口大于临界角包( 晓= s i n - 1 兰) ，光线a 将在此界面发生全内反射 a 图2 4 光线在阶跃光纤中的传播 f i g 2 4p r o p a g a t i n go f m yi ns i o f 而返回纤芯，光线a 被约束在纤芯内部沿纤芯轴传输。而光线b 由于在纤芯一包层 界面的入射角小于临界角包，因纤芯与包层折射率相差很小，大部分能量透过纤芯 一包层界面而逸出纤芯，仅有少部分返回纤芯，经多次在纤芯内折返后，光纤b 消 失。能在纤芯内部传输的光线称为导模光。只要满足护 只的光就能在光纤内传播。 与纤芯内部入射l 临界角相对应，光纤入射光的入射角有一最大角口。，可由下式确 定： l o 博士论文大气监测光纤气体传感器的研究 胛os i n 口一= 胛；一珂； ( 2 6 ) 其中为光纤入射端外部介质的折射率。定义光纤的数值孔径n a 为 ，。一 一 n a = n os i n 口。= n ? 一 2 2 = , 4 2 a ( 2 7 ) m 表征了光纤端面收集光能的能力，反映了光纤与光源和光电探测器间的耦合效 率。光纤的数值孔径仅与纤芯及纤芯一包层间的折射率差有关，而与光纤的几何结 构参数无关。在光纤应用中并非朋越大越好，朋越大，光纤接收能力越强，但经 传输后输出光信号的畸变也越大，限制了信息传输量。在光纤通信系统中的光纤朋 较小，尽量满足单模运转条件。在光纤传感器中，希望光纤传导的光能较强，且由 于传输距离较短，因此，常采用较大数值孔径的光纤。 光纤中除了能传输图2 4 所示通过纤芯轴的传导光线外，还能传输不通过纤芯 光纤 图2 5 子午光线与斜光线的差别 f i g 2 5i l l u s t r a t i o no f t h ed i f f e r e n c eb e t w e e n a m e r i d i o n a lr a ya n d as k e wr a y 轴的光纤。通常把通过纤芯轴的传导光线称为子午光线，不通过纤芯轴的传导光线 称为斜光线。阶跃光线中的子午光线的轨迹是一条平面锯齿折线，斜光线是空间螺 旋折线，如图2 5 所示。 在本研究中，利用阶跃光纤的临界角来限制光电探测器的接收光视场，从而抑 制背景光噪声对检测的干扰。具体实施方法是利用透镜，将测量光束聚焦在光纤端 面上，调节置于透镜与光纤端面闻的孔径光阑大小和位置，使投射到光纤端面上的 光束角半径恰好为光纤的临界入射角，并使有效孔径大小与测量光束截面相同，从 而保证测量到的探测光束视场角最小。用透镜、光阑和光纤端面组合构建气体吸收 池输出光束的接收器。 2 3 2 光在渐变折射率光纤中的传播 2 光纾传感器基本原理 博士论文 渐变折射率光纤的纤芯折射率不是常数， 丢( 甩舟v 荆 其内光线轨迹由射线方程“决定： ( 2 8 ) 式中，f 为光线轨迹上某点的位置矢量，s 为射线的传输轨迹，v n 仁) 是位置f 处的 折射率梯度。由射线方程知：在变折射率介质中，光线传播方向总是偏向折射率高 的一侧。由此可判断，渐变折射率光纤中的子午光线的轨迹将是光滑的周期性曲线， 斜光线将是光滑的等螺距螺旋曲线。 特别，在光纤折射率分布为双曲正割或抛物线函数分布时，近轴子午光线发生 会聚。由一点发出的不同角度的光线传播一周期长度后将会聚在一起。这种会聚作 用与透镜的会聚相似，称之为光纤的自聚焦效应，具有自聚焦效应的光纤称为自聚 焦光纤。在通信系统中，用自聚焦光纤来减少光纤的色散，增加光纤的传输带宽。 在光纤传感技术中，将自聚焦光纤用于增强光纤与光源或探测器间的耦合效率。光 线在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤传播的差别示于图2 6 。 ( a ) 多横阶跃折射率光 纡中不喊路径的光线 到达终端的时间不同 ( ”渐变折射宰光纤 中。不晦路径的光线速 度不同但到达终精的 时间相同 图2 , 6 阶跃折射率光纤与渐变折射率光纤中传播的光线轨迹 f i g 2 6 p a y 眦h s i ns t e p i i i d “f i b e r a a d g r a d e d i n d e x f i b e r 2 4 光纤的传输特性 光信号经过光纤传输后一般要产生损耗和畸变，从信号的观点看光纤传输系统 不是理想无失真传输系统。究其原因是光纤存在损耗与色散效应。在光纤通信中， 损耗将限制光信号传输的距离，而色散则限制传输的信号带宽；在光纤传感系统中， 损耗则使检测信号强度减弱，色散则使时间分辨检测带来困难。因此，光纤传感系 统或监测网络中，也应该考虑光纤的传输特性。 博士论文大气监测光纤气体传感器的研究 2 4 1 光纤的损耗特性 引起光纤损耗的主要原因有三种：吸收损耗、散射损耗和弯曲损耗。当传输的 光很强时，还需考虑光纤的非线性效应引起的损耗。光纤损耗一般用光强衰减系数 口表征，口的定义： 口：一土垡巳 ( 2 9 ) p d z 工程中，口常用单位长度光纤功率衰减分贝数表示： 口= - l o l o g ( p o 。巴) ( d s l 拥) ( 2 1 0 ) ( 1 ) 吸收损耗光纤内部存在两种吸收机制，一种是由光纤组成材料产生的本征吸 收，另一种是杂质和缺陷产生的非本征吸收。对于石英质光纤，本征吸收表现为发 生在紫外波段的电子吸收和基质材料的振动及声子吸收。前者的吸收带尾端延伸到 0 7 - 1 6 ，在1 3 1 6 p m 引起的损耗低于0 1 d b k m ；后者的吸收带在红外区，在 9 1 岫、1 2 5 帅及2 1 岫处的损耗峰值达1 0 ”d b k m 。通常在光纤基质中含有铁、铜、 钴、镍、锰、铬等金属杂质和氢氧根离子，对金属杂质的浓度可降低到l o “以下， 它们引起损耗很低，而对于氢氧根离子其含量则还不能降低到可忽略不计的程度， 它引起的吸收发生在1 3 9 p m 、1 2 4 r t m 、0 9 5 胁处。在石英光纤中，原子缺陷引起 的吸收可忽略不计。 ( 2 ) 散射损耗光纤内的散射损耗主要包括瑞利散射和非线性散射。瑞利散射是由 于纤芯存在折射率起伏而引起的散射，其特征为散射光强度反比于波长的四次方 ( 。c _ ) ，散射光波长与传输光波长相同。非线性散射发生在强光情况下，其特征 是散射光波长与传输光波长不同，散射光波长大于传输光波长时，称为s t o c k s 散 射；散射光波长小于传输光波长时，称为反s t o c k s 散射。在非强光情形，毋须考 虑非线性散射损 耗。当纤芯一包层 界面存在缺陷或 折射率起伏区域 可与波长相比拟 时，则还应考虑 m i e 散射引起的 损耗。一般情况 下，m i e 散射引起 的损耗低于黟妻曼篡篡惹嚣臀麓。m 嘶耐。锄。 2 光纤传感器基本原理博士论文 0 0 3 d b k m 。 ( 3 ) 弯曲损耗光线弯曲损耗主要有宏弯曲损耗和微弯曲损耗。在实际应用中，光 纤不可避免地要进行盘绕、曲折等，由此引起的损耗称为宏弯曲损耗，如图2 7 所 示。从几何的观点看，光线在弯曲处不满足全内反射条件，进入包层的光线不能被 约束在纤芯内继续传播；以波动的观点看，则是延伸到包层中的消逝波在弯曲处离 中心远侧的尾部成了辐射场，由导模变成了泄漏模，产生宏观弯曲损耗。宏观弯曲 损耗与e x p ( - r r 。) 成正比，其中r ，= a ( n ；一撑：2 ) 为临界曲率半径，r 为光纤弯曲的 曲率半径。微弯曲损耗则是光纤的几何不均匀性引起的损耗，包括内部和外部因素 导致的折射率、光纤直径等不均匀性。随着光纤制作技术的发展，微弯曲引起的损 耗较小，一般难于观测到。 综上所述，光纤的损耗主要应考虑吸收损耗、瑞利散射损耗和宏弯曲损耗。在 光纤通信系统中，损耗对通信系统影响的严重性是显而易见。在光纤传感技术中， 对弯曲的光纤应避免随机震动，以免对探测光信号产生附加调制，形成噪声干扰。 此类损耗将对检测灵敏度和检出限产生不良影响，特别是光谱分析式光纤传感器， 应从损耗、被测对象和光源诸方面作综合考虑。本研究中，所有光纤弯曲部位都被 固定，避免此类干扰影响。 2 4 2 光纤的色散特性 光纤色散是指光脉冲在光纤中传播时，由于光的群速度不同产生的脉冲展宽现 象，如图2 8 所示。 1 4 光纤 出射光 制一卜- 2 f l 戌 图2 8 光纤色散引起的脉冲展宽 f i g 2 8t h ee f f e c to f d i s p e r s i o ni nf i b e r 0 1 1t h eo u t p u tp u l s e s 根据光纤色散机理的不同，光纤色散可分为材料色散、波导色散和模间色散三 耻 博士论文 大气监测光纤气体传感器的研究 种类型。 ( 1 ) 材料色散由于光纤中传播的光脉冲不是单一波长，而是有一波谱宽度觑，不 同的波长对应不同的群速度，即材料的折射率不同。材料色散引起的脉冲展宽为： 。一2 c 0d 删2 n 8 2 ( 2 1 1 ) 厶为光脉冲中心波长，c 为真空中的光速，r l 为光纤芯材料折射率。 ( 2 ) 波导色散不同波长下，同一导模的群速度不同所引起光脉冲展宽。对于弱导 光纤，波导色散脉冲展宽： 缸，一篑y 铲鼠 c z 1 2 ) 其中，b 为波导的归一化传播参量“ ( 3 ) 模间色散对同一波长的光脉冲， 很大时，模间色散脉冲展宽： 峨= 等( 1 吲7 vc 不同的导模群速度不同。在光纤归一化频率 ( 矿 1 ) ( 2 1 3 ) 光纤的总色散为这三种色散之和，光脉冲的总展开为： f = ( e + f ：+ f ：) ，2 ( 2 1 4 ) 在单模光纤中，模间色散为零，主要表现为材料色散和波导色散；在多模光纤 中，模间色散占主导地位，若传输的光为单色光，则材料色散与波导色散可忽略。 光纤色散的主要危害是使光脉冲信号产生失真。在光纤通信中，这将导致误码， 使通信无法进行。在光纤传感技术中，涉及到时间分辨的检测量都将受到影响，例 如在荧光型传感方式下，荧光时间是重要的待测量，在一些大气化学过程监测中将 遇到色散的干扰。本研究主要是对常规大气气溶胶的监测，尚可不考虑光纤的色散 效应。 2 5 光纤传感器中的光源 在光纤传感技术中，信息的获取和传输是通过光子实现的。因此，光源是必不 可少的元件。光纤传感系统中的光源可分为相干光源和非相干光源两大类。 2 5 1 光源的一般特性 在光纤传感系统中，常根据传感器的性能，须对所用光源的特性提出具体要求。 不同的光纤传感器，对光源特性的要求相差较大，对光源的一般特性主要考虑以下 2 光纤传感嚣基本甄理博士论文 几方面： ( 1 ) 光功率输出特性为保证光纤输出端光信号有足够的功率或信噪比，要求输入 光纤的功率足够强，亦即光源应能输出足够的光功率。有时考虑到光源与光纤间的 祸合效率，还要求光源的几何参数必须满足一定条件。 ( 2 ) 光输出频谱特性表现为两个方面，一是光谱中心波长厶，另一是光谱宽度五。 光源频谱特性的选择主要依据是光纤的损耗和色散的光谱关系、传感器中对探测光 频谱特性的要求等。 ( 3 ) 电一光转换特性在光纤传感器中光源的发光过程都是在电源驱动下进行的。 通常光源的光输出功率随注入的电功率而增加，