基于开放式气室的光纤气体传感器的信号分析.pdf

第19卷第6期 量子电子学报 V01．19No．6 2002年12月 CHINESEJOURNAl．OF ELECTRONICSDec．．2002 QUANTUM 文章编号；10D7—5461(2002)06—053l-f)5 基于开放式气室的光纤气体传感器的信号分析 肖韶荣，，一，陈迸榜z，严 。 (I南京气象学院电子工程系， 南京 (2南京理工大学电光学院， 南京 婕m姗㈣舛 摘 要 根据信号处理理论，分析了开放式光纤气体传感器吸收池的光信号输出特性，提出了设计吸收池的判 据，即腔片上复合光束相邻两光斑不重叠时，其输出特性与White型吸收池等效．在信号处理系统中，采用窄带 滤波和帽敏检波技术．使传感器的输出特性参数的对数值与待测气体浓度成正比．因此，可按Lambert定律对传 感器定标． 关键词光纤技术；气体传感器；信号处理 中图分类号：TN253；0433．5+l文献标识码：A 1引 言 随着光电子及微电子技术的发展，光纤传感技术使光谱技术用于实时测最成为可能，并在环境监测领 域发挥着越来越重要的作用．实时监测中的光纤气体传感器一般采用开放式气室取样m21，气室典型结构为 White型，由气室腔的两个内表面镀高反射膜的镜片组成．由于实时监测装置一般工作于自然环境或生产现 场，这种结构的适应性较差；腔面镀膜易被腐蚀而失效，是制约其长期可靠性的主要因素．对腔的外表面镀 全反射膜形成的折反式吸收池，存在～种较为普遍的看法吼认为内表面的界面反射会导致较大的光损耗， 不得不采用结构复杂的气室．信号理沦分析和实验测试表明：合理设计结构参数，界面反射对传感器性能的 影响可以不考虑，外表面镀膜的吸收池可用于实时测量的光纤气体传感器巾． 2气体传感器的工作原理 图1是单光路光纤气体传感器的工作原理图．波长为A的光束经过调制后成为频率为。、脉宽为r的 等幅脉冲系列，由光纤束I传送到吸收池的输入口．在输入口，光纤束1的输出光被一透镜组变换为细平行 光束，投射到吸收池内；经有限次折、反射后到达吸收池的输出口，再由光纤束2收集，传送到光电探测器 D而被转换为电脉冲系列．按Lambert定理，光纤束2收集到的光脉冲系列的幅度与被测气体的浓度有关． 因此，电脉冲系列的幅度与待测气体浓度有关． 1 offiber sensor FigPrincipleopticgas basedon singleopticalpath 基金项目；江苏省教育厅科技计划和南京气象学院抖拄基金项目 收稿口期一2001—09313；修改日期：2002—0108 万方数据 量子 电 子 学 报 19卷 3气室结构特点及光输出特性 吸收池由两块平行平板组成，吸收池两腔片外侧为全反射镀膜面．吸收池中光线的传播按图1中所示方 式进行．由脉冲系列组成的输入光束进入池后被池腔内表面分割成三种主要光束．一种是透过界面M。，，经 之间的光束l；第二种是输入光束在界面M。l反射的部分光，越过池空间、透过Mbt，经全反射面Mb2反 射，再次透过Me,1，与光束1在此处经Mbl反射的部分光会合，再次越过池空间，透过M。1被M。2反射， 又与光束1在此处经M。·反射的部分光会台，如此往复，形成图中所示光束2；同样道理，光束1在第一次 由M。2反射，透过M。1时，有部分光返回，形成类似光束2的第三种光束，即图中输出口处的光束3． 由光学和信号理论分析知，若输入的光束是脉宽为r，周期为t，幅度为Jo的光脉冲系列： 1i【t)=』o蚰【t—mJ；J， 【1) m为脉冲序数．输出口