倏逝波光纖氣體傳感器是基于漸逝場(chǎng)理論，由于光透入光疏介質(zhì)中能量相對(duì)比較少，倏逝波型光纖氣體傳感器的光纖傳感部分要經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)加工來提高靈敏度。在實(shí)際檢測(cè)氣體應(yīng)用中，要考慮傳感頭結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境、工作狀態(tài)等因素，可采用如下兩種倏逝波光纖氣體傳感頭結(jié)構(gòu)。

　　2.1 內(nèi)腔傳感器

　　內(nèi)腔傳感器主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。光源采用可調(diào)諧紅外激光器，激光通過聚焦透鏡將光聚合到光纖中，順著光纖經(jīng)過充滿待測(cè)氣體的腔，根據(jù)倏逝波效應(yīng)和氣體吸收光譜效應(yīng)，光強(qiáng)發(fā)生變化，經(jīng)過輸出透鏡，由光電探測(cè)器接受，然后數(shù)據(jù)處理得出氣體濃度信息，完成傳感過程。采用小型采樣氣室設(shè)計(jì)，通過紅外可調(diào)諧激光，利用倏逝波原理，并結(jié)合氣體在紅外波段的吸收光譜理論。小氣室設(shè)計(jì)適合向便攜式氣體傳感器發(fā)展，可調(diào)諧紅外激光則滿足對(duì)不同氣體測(cè)量的需要。

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　　2.2 遠(yuǎn)程傳感器

　　遠(yuǎn)程傳感系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。同樣采用可調(diào)諧紅外光源，紅外激光經(jīng)過傳輸，通過特殊傳感光纖得到光強(qiáng)變化信息，由紅外探測(cè)器接收，經(jīng)信號(hào)處理得出待測(cè)氣體濃度。與內(nèi)腔傳感器所不同的是，遠(yuǎn)程傳感系統(tǒng)采用長(zhǎng)距離傳輸光纖。這種設(shè)計(jì)可用于遠(yuǎn)距離及時(shí)監(jiān)控氣體濃度，具有成為分布式氣體探測(cè)系統(tǒng)的可能。

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　　2.3 探測(cè)頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　傳感器的靈敏度、響應(yīng)時(shí)間與測(cè)量精度等受光纖敏感元的影響。因此探頭設(shè)計(jì)優(yōu)化尤為重要。在已有D形、錐形、光纖裸露形、失配形等探頭研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)探頭，進(jìn)行仿真模擬分析，提高傳感檢測(cè)靈敏度與精度。探頭由于長(zhǎng)期跟待測(cè)氣體接觸，受到污染，影響檢測(cè)精度，這也是探頭設(shè)計(jì)考慮之一。利用氣體選擇性膜涂于表面，以隔絕除待測(cè)氣體外的其它分子污染探頭。同時(shí)通過參考光路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與誤差補(bǔ)償。

　　3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　檢測(cè)系統(tǒng)采用TDLAS檢測(cè)技術(shù)，測(cè)量基于朗伯-比爾定律。檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。由FPGA產(chǎn)生的鋸齒波和正弦波信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后疊加到激光驅(qū)動(dòng)芯片的調(diào)制信號(hào)輸入端，激光驅(qū)動(dòng)芯片和溫度控制模塊控制激光輸出，激光經(jīng)分束器分束，一路為參考光，一路作為氣體檢測(cè)光束。兩路光束分別經(jīng)過氣體傳感頭和參考?xì)馐业竭_(dá)PIN探測(cè)器，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后得數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳入到數(shù)字鎖相放大器濾波鎖相，檢測(cè)出其二次諧波信號(hào)，由FPGA做相應(yīng)處理，得到檢測(cè)有害氣體濃度并進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和警示等。

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　　3.1 分析模型

　　本文通過實(shí)驗(yàn)得到相關(guān)誤差數(shù)據(jù)，得到各種情況與條件下的插值表，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，找出對(duì)應(yīng)關(guān)系與特性。通過對(duì)各成分標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體的測(cè)量，獲得測(cè)量數(shù)據(jù)和濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過Matlab軟件建立分析和處理模型，擬合出CO2、CO等成分的關(guān)系曲線。分析影響系統(tǒng)測(cè)量精度的因素，包括環(huán)境溫度變化、氣體壓強(qiáng)變化、光源變化與工作條件狀態(tài)變化等。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)多種成分進(jìn)行同時(shí)測(cè)量，對(duì)不同氣體成分之間相互干擾的問題進(jìn)行分析，得到各個(gè)成分之間的影響系數(shù)，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。建立數(shù)據(jù)庫與快速算法，通過對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)補(bǔ)償，使得傳感器測(cè)量精度不受外部環(huán)境狀態(tài)的影響，有效提高測(cè)量精度，提高氣體分析系統(tǒng)的精度與響應(yīng)速度。

　　3.2 檢測(cè)模塊

　　系統(tǒng)基于FPGA進(jìn)行激光驅(qū)動(dòng)控制與檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)與功能驗(yàn)證，采用Altera公司StratixⅡ系列高密度FPGA來實(shí)現(xiàn)?；贔PGA實(shí)現(xiàn)對(duì)于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器通用的溫度電流控制模塊、鋸齒波發(fā)生掃描電路模塊、高頻調(diào)制電路 模塊。開發(fā)了一個(gè)基于嵌入式Nios處理器的整個(gè)控

　　制系統(tǒng)的程序，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)輸入輸出、存儲(chǔ)、中斷管理工作，使各個(gè)模塊能夠協(xié)同有序工作，系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

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　　4 結(jié)論

　　本文對(duì)光纖氣體傳感器的發(fā)展進(jìn)行了介紹，同時(shí)對(duì)倏逝波型光纖氣體檢測(cè)的理論知識(shí)、工作原理及其傳感結(jié)構(gòu)展開了分析，并提出基于FPGA的新型光纖氣體傳感系統(tǒng)的構(gòu)思與設(shè)計(jì)，通過模擬與實(shí)驗(yàn)，表明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可快速進(jìn)行一種或多種氣體的檢測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。倏逝波型光纖氣體傳感器特有的優(yōu)勢(shì)相信能在工業(yè)氣體在線監(jiān)測(cè)、有害氣體分析、居住環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。