CO2气体浓度光纤传感器研究

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仪表技术与传感器

20年 01

C 2体浓度光纤传感器研究 O气王洪冯金垣彭玉成504 16 0华南理I大学应用物理系广州市

【要】中研究 j基于光纤扰模的气体浓度传感器的传感机理。研制了 C 2气体光纤传感摘文 O器；并进行 7 0气体传感实验研究， 结果表明该传感方法是可行的。该气体传感器结构简单，在 I业及科研等方面有广泛的实用价值。 关键词：光纤扰模 C 2 O气体光纤传感器

S u y n n Fi e tc S ns r f rDe e tn t d i g o b r Op i e o o t c i g CO2Ga nst sDe iyW a gHe g F n iy a, e gYu h n n n, e gJn u n P n c egD p . f pi h s s S u h Ch n i eMt f c n l￣ e t o Ap l d P y i, o t i aUn v x y 0 h oo e c Te.

,

Gu n z o 5 0 4 a g h u. 6 0 1

Ab t a t Th p i b r n 0 c a i f rd t ci g O 2g sd n i su i i p p r sr c: eo t f e 5 r ci me h n s o ee tn 0 a e st m y t d e i t s a e .Th a p i i r d n h eg so t f e c b m e eo e n a e sn x ei n sa e￣ n u t Th e ut h w h t hss n ig m eh d i f sbe h i d v lp a d g ss n ig e p r s d me t r d ce d e rs l s o t a i e sn t o a il;t e s t se

s a rwih s l tu t r y b d l p e n u ty a d.' n ie r sa c ra . e￣o t i esr c u e ma wiey B d i i d s n￣i t i e e r h a e s mp e n r e f

K yWod:ie O t Ds r e rsFbr pi i bMoec G sO t Fbr e sr c t u d, a, i i no p c e S

1引言 在工农业生产、环境保护及科学研究等方面，常常需要检测 c气体的浓度，常采用气敏型气体传感 通器。或者用光电气敏传感器实现对上述

气体浓度的检号的检测带来诸多干扰，而光波导类传感器还未解决

使光纤传导特性随外界介质的变化而变化，光纤中的电磁波方程为：[+k ( ) r】 () 1

f7 l^ 2 n/ r【7/ 2r a n

( r< R1 )

测。大多数气敏型气体传感器都是加热式探测，信式中： () 2 n/对 k r={ 7 2^ r

(< r< R ) Rl 2( r< R2 )

、分 1 2探测灵敏度和选择性问题。由于光纤具有抗干扰、耐 RlR2别为纤芯和包层的半径；、、分别为纤高温与腐蚀、反应灵敏和功耗小等特点，得光纤气体芯、层和外界介质的折射率。使包 传感技术近年来得到了迅速的发展，为气体传感器成研究的新方向【。如何利用光纤波导的特殊结构和传 l J光纤中的电磁场解【为： 2 ]( )= 1, 2 r r ( )+ ()

输特性，实现光纤气体传感成为光纤气体传感器研究式中： 1r为光纤纤芯与包层界面上的解； 2r为 () ()的重要课题。 光纤包层与外界界面上的解。 本文提出了基于光纤扰模的光纤气体浓度传感方法。并导出在光纤扰模情况下，纤纤芯一包层一气光体介质三者间能量关系，研制了光纤扰摸气体传感器， 而光纤的特征可用归一化频率表示：

口 k(— ) i= i R

() 2

当很小时， 可认为光纤的能量泄漏与的变化成线进行了 c 2 o气体传感实验研究，结果表明该方法是可性关系， 行的，其光纤传感器有广泛的实用价值。

2传感原理与结构2.光纤结构与模式解 1

A=K一 E一=K晶△=K An

。△

() 3

为作传感目的，用光纤工具剥去实际阶跃光纤式中：为与归一化频率和外界介质折射率有关利 K包层外部的塑性保护层后，光纤实际上是由纤芯一包的系数。 层一空气介质组成的三层波导结构，固此实际光纤有 22光纤扰模和能量变化 .两个界面，面 1光纤纤芯一光纤包层；面 2:纤界：界光

式 ()明： 3表当产生微量 An改变时，认为光可纤中能量的改变 A= K n,为利用光纤传感外 E A这

包层一外界介质；这样将光纤直接暴露在外界介质里，

*国家自然科学基金和广东省自然科学基金资助项目收穑日期：0 1 21 20 - 9 0

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第 6期

传感器技术

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界介质的变化提供了可能。光纤纤芯和包层界面可视为一个圆柱面，当对光纤实现扰动时，个界面偏离圆这

由式 () 9看出，经次弯曲后，留在光纤纤芯中的能量 B与弯曲角度 A成指数关系。经分析得到：光纤纤芯逸出到光纤包层中的能量并没有完全损失，由于

柱面，传导模式之间将发生能量的转移和重新分配，各

由于所有的扰动都可看成微弯的和_, 3可微弯形式光纤包层与外界舟质界面上的全反射角远大于光纤纤 J讨论扰动时弯曲程度与能量交换关系。图 1为光纤模芯与光纤纤芯包层上的全反射角，这些能量绝大部分式光锥相交及光锥单位径矢交面图。中表示光纤微叉重新回到光纤纤芯中，并不是原封不动地送回来，图但由于外界舟质的影响，些重新回到纤芯中传播的能这量中已经黏合了外界介质的信息 _。 4] 23光纤扰模传感原理 .根据上述结果，可导出光纤气体传感的光能变化形式。设光纤的能量在扰动前为，都集中纤芯，且 当受到扰动时 .芯中的光能量变为：纤圈 1光圩模式光雅相交图

E 0= Eo e

(0 1)

弯前后 (入射和出射 )的两个光锥，其夹角为 d、、 根据前面的讨论，口晟 Y是与扰动程度有关的变量，出到逸分别为入射和出射光锥与光纤中心轴的夹角。是包层的能量为： 将光纤传导模式纵向传输常数卢所对应入射光线与中心轴的夹角按大小顺序排列后的序列，:即口 (= 123… ) ,,… () 4 E2= ( 1一e ) E0 ( 1 1)

包层中的能量损失为：E3 E2 K + B+ C)= (△ (2 1)

设光纤纤芯中具有最大入射角的传导模式为，光且纤中的能量在光锥中均匀分布。光纤弯曲 d当口时，夹一

式中：表示光纤包层和外界舟质之间的界面缺陷的 B

影响，以及外界介质的非均匀等因素，示外界介质对表角为的两个光锥的相交面积可以认为是能量由第全反射光有一定的渗透深度； C表示外界介质对传播个光锥向

第二个光锥的转移程度。以函数 h(,, 光的吸收造成光能的衰减。 )示光锥与且光锥的相交面积相对值，:表则 当扰动结束后，层中的其余能量重新回到纤芯，包

(<且

一d ) O

则经一次扰动后的能量变为： El=[ 1一( 1一eY ( n+B+c)E0 -) K△]() 5

≠ h(,, 8 + 且 d )=

一 i, 风 s￣ u 一Y且 i s n

(3 1)

当 Y K、 C很小时，、 B、将式(3简化得光能的相对变 1)化为：.一

(n一 1 1 d)≤ O

(>

+d ) O

=L 0

= Y K ( An+B+ C) ( 4 1)

由式 (4可见，纤光能的相对变化与扰动和外界介 1)光一

d口

() 6

设光纤总共弯曲角度 A,经次弯曲，:则d 口： () 7

质折射率的变化成比例关系。此为光纤 c 2 o气体浓度传感原理。

3传感实验根据上述的分析结果，们设计了 c 2气体光纤我 o

该光光纤纤芯中的能量经过次弯曲后，留在光纤纤芯传感实验系统，实验系统由高稳定度光源、纤传感仍器和光探测三部分组成。光纤气体传感器是由传感头中的能量为：

B加 )( ( A=1一当令趋于无穷大。式( ):则 8为

(气隔绝，成密闭气室。co2气体经进气管通入，有 8 ) 构另一

置于一密封装置内构成，密封装置保持温度，外界空与排气管用来控翩气室内气体，室结构如图 2所示。气

卜 = e印即眦一 j\口 ’ :A

A )

图 3所示是用多模光纤制作的光纤扰模传感头结构示意图，用剥去光纤塑性保护层后的光纤绕在一定直它径的圆柱上构成，传感头绕组直径 5m, c实验条件为：

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图 3传愚头培构币恿崮

感头的制作差异 .位差异以及实验设备安装差异所定图 2光圩气体传感气室结构图

造成的，实验主要注重于测量光纤传感头在不同的气

实验一：扰动 4圈，温 l℃;室 7实验二：动 5圈。扰室温体介质条件下和不同的扰模条件下的传输

光能的相对因此实验中光功率的绝对值并非关键。c o2光 l℃;三：动 6圈，温 1" 7实验扰室 6 C。每次实验外界介变化，质用 c与空气比较， 实验结果如表 1所示。3实验的光功率计起始数据不同是由于光纤传个表1￣2 O气体光纤传感实验测量结果表

纤传感灵敏度及回归曲线如图 4所示。

由实验结果可知，光纤气体传感头灵敏地反应了外界介质由空气向 c转变。光功率计的读数减小， o2 是因为 c o2的折射率与空气折射率不同，可认为故

c的折射率比空气折射率略大，功率的变化与扰 光

@

动程度有一定的线性关系，这与前面的理论分析基本呀合。

4结论理论分析和实验结果表明，利用光纤扰动技术而产生光纤内部的光能量流动，以实现 03气体浓度可 2的光纤传感。通过对传感头改进及有关参数整定，可制成灵敏度高、选择性的光纤气体浓度传感器。同有时该方法也可用于其它环境因素的传感，有广阔的具应用前景。参考文献

囝 4 c气体光纾传感灵敏度及回归曲线 晚

图 5为 3种扰动程度下，不同浓度 c气体在 中，光功率相对变化及回归曲线图。图中可看到，从不同扰动时测量数据的相对变化与气体浓度近似地成一定的线性关系。参数将通过标定来决定。其

1寇云起 .黎丽珠气体传感技术发展壮况和市场分析传感器世界.19 ( . 9 7;8)

2 A l .州 e, e k—R y T∞r f p cl vff e f￣ ua ln w a rL o y a h yo f￣ o i a Wa e .￣o r lr i d cc c1￣ e t n Ap l dP yi . 9 4{ 4: 7~2 8 1 sci . p e h s s 1 7 ( ) 2 3 9 " 2 o o i c 3 W . i. tw r. . h。 s a a d S De o a,i J t Jn G Se a tW P i B C h w, n M m k n l t— p m ai n o bor t n—b s d f e p c g s o fa e p i o a e b o t a i i巧b v∞ h酬 r fe t n e c i s. l o

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囝 5光功率相对变化及回 1线囝日曲

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