光子晶体光纤气体传感器的设计.doc

目 录摘要：10前言11光子晶体光纤的简介21.1光子晶体的概念21.2光子晶体光纤的导光原理32 光子晶体光纤甲烷气体检测42.1气体检测原理52.2比尔-朗伯定律：52.3甲烷气体吸收谱线的选择52.4甲烷气体检测设计62.5需要的仪器和材料73结论13参考文献1515光子晶体光纤气体传感器的设计摘要：光纤气体传感技术是一项正在发展中的新型测试技术,在工业生产、环境保护和医学等领域具有广阔的应用前景。近十几年来,随着光纤传感技术的发展,光纤气体传感器的研究在国内外均受到广泛的重视。光纤气体传感器以光作为被测量的信号载体,对测量对象不产生影响,其自身独立性好,并适应各种使用环境,由其组成的光纤传感系统便于与计算机连接,可满足多功能、智能化的要求,与光纤遥测技术相配合可实现远距离测量与控制。瓦斯是发生在煤矿中重大自然灾害的根源之一,瓦斯爆炸严重威胁到煤矿作业人员的生命安全,影响矿井的正常生产。矿井中瓦斯的主要成分是甲烷,有效准确地预测甲烷爆炸的相关信息关系重大。本文设计了关于甲烷气体的检测研究。可相应的用于其它气体的检测。 关键词：光子晶体光纤 甲烷 光纤气体传感Abstract:Optical fiber gas sensing technology is a developing and novel technique, which has a wide applicable prospect in industrial production, environment monitoring and medical science. In recent years, with the development of optical fiber sensing technology, there search of optical fiber gas sensor has been seriously regarded all over the world. The signal detected by optical fiber gas sensors is carried by light wave, which has no influence on the measured object. The sensor that has good independence performance itself can be adapted to all kinds of surroundings. The optical fiber sensing system with the sensors, which can be connected with computers conveniently, can realize many functions request and intellectualized need. They can match with remote measure technology to measure and control in long distance. The gas is one of the sources of the most important universe disaster of the coalmine. Fire damp explosion not only influences the normal production of the mineral well, especially threatens to the life safety of the coal miner seriously, but the main composition of the gas in the mineral well is the methane, how can predict the explosion condition relation graveness of the methane in advance. This design study on the detection of methane gas. May be appropriate for the detection of other gasesKey words: photonic crystal fiber gas optical fiber sensing0前言 近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。 随着科学技术的飞速发展，人类社会已进入信息化时代，现代信息技术在国民经济和社会生活的各个领域得到广泛的应用。以敏感元器件及传感技术是获得各种信息的重要手段之一，其重要地位已越来越得到人们的共识。气敏元器件，传感器是指对气体量敏感，并能将其转换为人类所需的信息，达到识别气体，测量气体浓度的目的一类器件。 气敏传感技术主要用于仓库及运输过程中可燃性气体泄漏的检测和报警，还用于检测烟气、尾气、废气等对环境有污染的气体。进入20世纪80年代，随着光纤技术及光集成技术的迅猛发展，光纤已成为信息载体的最好媒介。利用光和物质相互作用前后光学特性的变化，通过光纤技术，可实现用性价比较高的小型化器件来做气体传感器。因此，光学-气敏 元器件的研究已成为气敏传感器研究的新方向，并且随着光纤通讯技术的迅速发展，光纤传感器技术也取得了长足的进步。光纤传感器具有一系列传统传感器所不能比拟优点，它的传输损耗低，直径细，重量轻，不受外界电磁场干扰，本质安全防爆。同时，它还适合于长距离的在线测量，光纤传输损耗小，可长距离传输，并且光纤体积小，重量轻，柔软可歪曲，化学性质稳定，耐油、耐水、耐火、耐腐、绝缘性能极好，因而可将传感探头放入恶劣或危险的环境中，光纤将信号引出，在远距离安全地带进行遥控遥测。另外，由于光纤的巨大带宽使得它可以传输巨量信息，采用多路复用技术，可以使多个光纤传感器共用同一根光纤，同一光源和同一信号检测设备，大大降低系统成本，易于组成光纤网络。1光子晶体光纤的简介1.1光子晶体的概念光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG光子晶体结构。图1-1光子晶体光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波-当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构 光子晶体能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域。在光纤激光器这一领域内，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。图1-2各种类型的光子晶体光纤截面图1.2光子晶体光纤的导光原理按导光机理来说，PCF可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。图1-3 a为折射率导光纤，b为光子能隙导光1.21折射率光机导理周期性缺陷的纤芯折射率（石英玻璃）和周期性包层折射率（空气）之间有一定差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种结构的PCF导光机理依然是全内反射，但与常规单模光纤有所不同，由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故。1.22光子能隙导光机理 理论上求解光波在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF的传导条件，即光子能隙导光理论。光纤中心为空芯，虽然空芯折射率比包层石英玻璃低，但仍能保证光不折射出去，这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间距和小孔直径满足一定条件时，其光子能隙范围内就能阻止相应光传播，光被限制在中心空芯之内传输。最近有研究表明，这种PCF可传输99%以上的光能，而空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤的1/21/44。空芯PCF光子能隙传光机理具体解释为：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气，传光机理是利用包层对一定波长的光形成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存在和传播。虽然在空芯PCF中不能发生全内反射，包层中的小孔点阵结构起到反射镜的作用，使光在许多小孔的空气和石英玻璃界面多次发生反射。2 光子晶体光纤甲烷气体检测甲烷是一种易燃易爆气体，是沼气，天然气，和多种液体燃料的主要成分，其在大气中的爆炸下限为4.9%，上线为15.4%。在煤矿井下瓦斯气体中，甲烷所占的比中最大，在80%以上。在我国煤矿安全事故中，瓦斯爆炸造成的伤亡占所有重大事故伤亡人数50%以上。实时监测甲烷气体的浓度、防止爆炸。对于工矿运行、人身安全有着至关重要的作用。应用介质对光吸收而使关产生衰减这一特性的吸收型光纤气体传感器具有传输功耗小，传输信息容量大，抗干扰能力强，且耐高温、高压、腐蚀、绝缘、阻燃、防爆、易于远距离实时遥测和良好的气体选择性等特点。2.1气体检测原理气体传感器，理论基础是气体光谱吸收理论和比尔-兰伯定律，以往研究可知，气体分子只能吸收那些能量正好等于其某个能级的能量之差的光子。（LE=h）。因此，不同分子结构的气体会因为其不同结构所决定的不同能级而吸收不同频率的光子，这就是分子的选择吸收。吸收这个光子后。分子跃迁到激发态，在激发带停留非常短的时间后又通过直接发射回到稳定状态，在这个过程中，释放出这个光子，由于分子不断运动，这个被释放出的光子的出射方向已经不是原来入射方向了。而是在球面立体角中任意发射。从另一个角度来说。这就相当于入射方向上的光子被散射掉了。这就是瑞利散射。由于气体分子结构具有互异性，不同气体的吸收谱因其分子结构的不同而存在差异，因此，检测到某种特定波长或频率的光被吸收，就标志着这种气体的存在。2.2比尔-朗伯定律：一束单色光照射于一吸收介质表面，在通过一定厚度的介质后，由于介质吸收了一部分光能，透射光的强度就要减弱。吸收介质的浓度愈大，介质的厚度愈大，则光强度的减弱愈显著，其关系为：其中A:吸光度； Io：入射光强度；It：透射光强度；T:透射比，或或称透射光；K：系数，可以是吸收系数或摩尔吸收系数，L:吸收介质厚度，一般以cm为单位；c：吸光物质的浓度，单位可以是g/L或mol/L本实验主要测量甲烷在1660 nm附近的吸收谱线。根据比尔-朗伯定律公式，变形得到如下的式子：c=-1/kIo/It2.3甲烷气体吸收谱线的选择 CH4分子具有4个固有的振动，每一个固有振动对应一个光谱吸收区，它们的波长分别为3.43 um，3.31um，6.53um和7.66um。在近红外区有许多泛频带和联合带。从左下图可知，甲烷气体在1.6左右吸收度最强。本实验选择测甲烷在166um附近的吸收谱线，从HITRAN2004数据库中可查到甲烷气体在1.66um附近时的精细结构强度吸收谱图2-1右下图所示，横坐标表示波长，纵坐标表示吸收的强度。图2-1甲烷气体吸收图谱2.4甲烷气体检测设计(1) 按实验原理图布置光路，注意水箱的放置要尽量避免与光学实验平台接触，以避免水泵的震动对实验带来不稳定。(2) 接通冷却装置的电源，在确定水泵正常运转后同时接通稳流稳压电源，将电流缓慢加到18.00A。(3) 依次打开光栅光谱仪、斩波器、数据采集器和锁相放大器，注意斩波器的调制频率波器的调制频率暂时先置零位，最后再打开计算机，测试软件联结成功，正常进行测试。(4) 将做好端面的光子晶体光纤放入测试系统，光纤的一端处在透镜的焦点上，保证光纤处在较好的耦合状态，这里要特别注意，因为耦合直接影响到光功率的大小。光纤的另一端插入到气室中，使其刚好能耦合到探测器的中心。(5)将斩波器调制盘放在耦合透镜和光纤之间，调制频率可以调到所需要的频率。(6)等周围环境完全暗下来后，打开探测器的探测孔，将光纤的另一端对准探测孔。 (7)在气室里先不通入气体，待一切准备就绪后打开测试软件，待测试软件联接成功后进行无气体时光纤的投射谱检测。 (8)保持以上装置不变，打开气罐，使气体通入气室，按同样的方法测得光纤的透射谱。 实验过程中要做好避光措施，并随时注意冷却装置是否正常运转。图2-2 实验设计原理图3、实验调试系统 按照上述实验仪器连好后， 开始对实验系统进行调试，使这些仪器在实验过程中到达最好的效果，如果调试不好，结果很难达到预想的效果，甚至会得不出结果，所以实验的调试是非常重要的。本实验的调试主要包括单色仪入射和出射狭缝宽度调节、斩波器参考频率的选取以及锁相放大器时间常数的确定等等。实验中首先调节单色仪入射和出射狭缝的宽度，调节标准是：提高光功率并使光束截面宽度与光纤端面比较匹配。选择某一光纤放在实验系统中，开始时保持出射狭缝不变，改变入射狭缝，测得一系列光谱图；然后保持入射狭缝不变，改变出射狭缝，同样测得一系列的光谱图；综合所得两种光图及调节标准，本实验中我们选择入射狭缝为3 mm，出射狭缝为2.5 mm。 根据锁相放大的工作原理，要求斩波器提供的参考频率与探测器的响应频率相匹配， 而我们所选用的硫化铅光敏电阻的响应时间小于等于 400 s，所以参考频率应于 400 Hz。同样，选择一根光纤放在实验系统中检测，调节不同的斩波器频率测得一系列光谱根据光谱图，我们选择透射光功率最大时的斩波器频率为800 Hz。2.5需要的仪器和材料2.51碳化硅红外光源（1）实验中用LSH-SiC200碳化硅红外光源(Infrared Lamp House)， 在红外区具有较宽的光谱覆盖范围和较平缓的光谱能量分布，在红外测量和研究中被广泛应用。采用碳化硅作光源，环水冷却，内部反射镜全部镀金，单镜反射率在98%以上84，红外辐射整体损失小，利用率高。 主要参数：使用功率范围150250 W光谱范围116 m，工作范围9001200 ，冷却形式：水冷，稳定性优于0.1%，供电电压：035 V/020 A稳压/稳流电源。 碳化硅红外光源采用水冷方式，以免风冷引起空气扰动。实验中供电电流一般为18.00 A，电压约为30.00 V。硅碳棒是合成的碳化硅棒，它的尺寸比较大，直为513 mm左右，长度可达50400nm，而且消耗功率也比较大(约200 W以上)，因此除了大型仪器之外很少使用，由于容易得到且价格低廉，所以经常在用户自己制造的仪器上使用。 硅碳棒有很多优点。它坚固不易变形，特别是在使用范围内，温度系数是正的，这更提高了稳定性。在使用中的问题是，为了在接触电极处产生电弧，需要进行水冷。 2.52光栅光谱仪（2）实验中选用光栅光谱仪来分光，可得到单色性很好的光，从而在不同的波长上都能得到相关的信息。它的入、出射狭缝宽度可调：10 m3 mm，狭缝高14 mm，有三个光栅，闪耀波长分别为：300 nm、750 nm和1250 nm。所以通过选择不同的光栅以色散185 nm至远红外范围内的光谱。 主要参数：最小分辨率为0.1 nm，(435.8 nm处缝宽10 m)，线色散系数为2.7 nm/mm准确度0.2 nm，重复性0.1 nm。出射狭缝宽度可调，10 m3 mm，狭缝高14 mm。原理下图2-3所示：图2-3从光源发出的光由入射狭缝进入单色仪，首先由光学准直镜汇聚成平行光，再通过衍射光栅色散为分开的波长，利用每个波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像到出射狭缝。在这个实验中单色仪用来分光，以便得到单色性很好的光，从而在不同波长上都能得到相关的信息。单色仪内有一个步进电机，在控制计算机中安装有一个光谱仪的配套软件，可以用这个软件来控制光谱仪的操作，以及参数设定等。（3）在实验中，光源射入光纤内的光功率取决于该光纤的面积与立体角的乘积以及光源的亮度，即光源单位面积单位辐射立体角内所辐射的功率。从单色仪出射狭缝出来的光的光强分布比较发散且比较弱，在光纤的入射 端，本实验中尝试了两种耦合方式：直接耦合和透镜耦合。经过测量透射谱发现：由于噪声信号的关系，直接耦合的透射谱图很难和噪声信号区分开来，而透镜耦合可以获得很好的透射谱图。所以实验采用10倍透镜进行耦合，它的焦距大约是1 cm。耦合装置示意图。把光纤放到透镜焦距的位置就能得到较高的耦合效应，避免了因耦合不好而造成透射信号和噪音无法分辨的情况。在光纤出射端，采用的是光纤和探测器直接耦合，由于探测器上的探测点的直径比光纤的直径大很多，所以不会出现光信号泄露的情况，避免了因用透镜耦合而出现的透镜损失。 2.52斩波器斩波器(又称截光器)是一种能周期断续光束的器件，也叫，是一种光强度调制器，调制盘是用光刻的方法在基板上光刻出许多透光和不透光的栅格，也可以在金属基体上通过机械加工而获得一些透光或不透光的各种图形。通常斩波器被置于光学系统的焦平面上，位于光电探测器之前。当目标像与斩波器之间有相对运动时，斩波器的透光与不透光栅格切割像点，使得通过调制盘的辐射能量变成断续输出，光电探测器接收到的是光辐射被调制成周期性的强度调制信号。 斩波器最基本的作用是把恒定的辐射通量变成周期性重复的光辐射通量。斩波器的主要作用是：(1)将静止的目标像调制成交流信号以抑制噪声和光源波动的影响，提高系统的检测能力。(2)可进行空间滤波，抑制背景噪声。(3)提供目标的方位空间等。图2-4 斩光器2.53气室和气体实验设计中用的气室是用玻璃做成的，这样可以很好的控制光纤和探测器的耦合，气室简图如下2-5所示。图2-5探测器的和气室的另一端直接连在一起，作为气室的有效一部分，出射端光纤与探测器直接耦合，避免了经透镜的损耗，这样耦合也较容易。2.54硫化铅红外探测器 探测器的种类很多，根据探测机构的不同可以分为热探测器和光子探测器两大类；其中光子探测器又可以分为光电子发射探测器，光电导探测器，光伏探测器，光磁电探测器。根据响应波长分可以分为近红外，中红外，远红外探测器等。在这个实验中用到DPbS3200型硫化铅(PbS)探测器属于光电导探测器。 光电导探测器是利用半导体材料的光电导效应制成的。所谓光电导效应是指由辐射引起被照材料电导率改变的一种物理现象。它的主要参数是:有效接收面积:66 mm2；波长范围:0.8-3.2 m；峰值波长:2.1 m； 响应度:300 V/W； 电阻 Rd :0.1-0.3 M； 比探率D*: 1108cm(Hz) /W；时间常数:400 s。 由于本实验检测甲烷气体的吸收谱是在近红外，必须选用在红外波段比较敏感的光探测器，而硫化铅光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电探测器件，适用于13 m的近红外波段。本实验所采用的DPbS3200型硫化铅红外探测器，其中由光敏电阻、负载电阻、偏置电压和光敏电阻两端电压组成。使用比较方便，在没有光照时，光敏电阻很大，虽然有加在电路中的直流电压但是电流也很小，当发生光照时，电路中的光生载流子剧烈增加，光照越强产生的载流子就越多，电路中的电流就越大，测得的信号值也就越大。这种探测器有很多优点：如在红外和红外辐射有较高的响应度及较宽的响应范围；偏置电压低，工作电流小；动态范围宽等优点。图2-6 DPbS3200型硫化铅红外探测器外观图图2-7 DPbS3200型硫化铅红外探测器相对光谱响应2.55 光子晶体光纤 光子晶体光纤分为实芯光子晶体光纤和空芯光子晶体光纤；包层都有空气孔，而且纤芯也可以做成空的，所以气体可以扩散到里面，和光相互作用，能使气体更充分的和光相互作用。实验中它作为传感器件，能起到传输光的作用，也能使光和气体在里面相互作用。前一章已经介绍了关于光子晶体传感的一些知识，本实验所用到的光子晶体光纤是空芯带隙型的光子晶体光纤，横截面如图4-8所示；它的纤芯孔直径为59.34 m，包层孔直径为53.48 m，包层孔间距为70.45 m，包层为6层。实验中将光纤的一端放到气室中，另一端和出射狭缝里的光耦合，气体从气室的一端扩散到光子晶体光纤中，当然扩散需要一定的时间，所以当通上气体时要等一段时间才能进行检测。图2-9光子晶体光纤2.56锁相放大器 锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频(或倍频)、同相的噪声分量有响应。因此能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理简单，是弱光信号检测的一种有效方法。 由于近红外光源室发出的光经过待测的微结构光纤之后的信号非常小，所以锁相放大器在整个红外波段的测量起到举足轻重的作用，所以本人将对其进行介绍。锁相放大器主要由三部分组成：信号通道，参考通道和相敏检波器(Phase Sensitive Detector, PSD)。信号通道对被测信号进行放大，并经选频放大器对所包含的噪音信号进行抑制，以满足相敏检波器的要求；参考通道将参考信号进行整形、选频放大和移相，并被送入相敏检波器作为控制信号；相敏检波器包含一个乘法器和低通滤波器，它直接检测出淹没在噪音信号中的待测信号，输出一个与待测信号成正比的直流。本实验采用的是SR830锁相放大器。其能锁定的频率范围可以从102kHz1 MHz，时间常数的范围是1030 ks。锁相放大器需要一个参考振荡器与信号频率锁相。参考信号通常是实验的激励信号源，即碳化硅红外光源室作为激励信号源。图2-92.57数据采集器 本实验中使用的数据采集器是DCS100数据采集系统，其参数为：电压放大倍数为1256倍，A/D转换精度为 15位，分辨率12位。它具有双路规格性能的输入通道，每个通道有各自的高性能运算放大器，可以分别为直流电压输入或者直流电流输入，可以进行单通道的测量，也可以用于比率测量。数据采集器与计算机的主机之间有数据线相连，计算机发出采集命令信号，数据采集器开始采集由光电探测器探测到的信号，同时将信号送入到计算机中进行处理，数据采集器实现了数据的获取及传输的功能。数据采集系统详细介绍两路I/V信号输入，信号输入范围： 电流 5pA40mA； 电压 0.5V4VA/D转换精度15 Bits,实现高动态范围信号采集 两路DC输出可用于控制其它实验设备。 输出