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1、一、项目实施的目的、意义目的：提出一种基于光子晶体光纤的气体检测技术。实验研究了多种气体和中心波长为1550nm宽带光源的吸收峰，便通过大量的实验和理论的分析，以及参考国内外的研究成果，得出一套完成的气体检测方案。意义：随着经济的飞速发展，高品质的空气环境对人体的健康日益重要。但在一些密闭的空间内部，诸如潜艇、太空舱、地下实验室等，因为很难与外界做到良好的通风，再加上其内部的各种防腐材料和机电装置可能会缓慢释放有害气体，破坏空气环境，从而对人体的健康构成威胁。有害气体种类繁多，常见的主要包括甲醛、一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物等。在正常自然环境下，这些气体的浓度一般都很低，人体自身无
2、法察觉到，但处于某特定环境下的长期吸入会对人体健康造成伤害。如何对这些有害气体的种类和浓度进行实时检测近年来逐渐成为科学和工程领域的一个热门课题。由于被监测的气体通常具有高温、高压、易燃、易爆等特性，这极大限制了传统电学传感器的应用。光纤传感器能够抗电磁干扰，并且不产生电磁干扰，耐高温、高压，在危险气体检测方面具有独特优势。尤其是光纤传感器能够实现远程监控和复用，使得光纤气体传感技术越来越受到人们广泛关注。先后研究出二次谐波法、差分吸收法、Ring-Down 腔法、有源内腔法等高灵敏度检测方法。综上光纤检测种类繁多，但普遍成本较高、结构复杂、不已携带、制作流程要求较高等缺点；本课题主要研究一种
3、基于光子晶体光纤的低成本、结构简单的气体检测系统。二、项目研究内容和拟解决的关键问题实验内容： 图- 1本系统通过程控的可调谐滤波器对宽带光源（中心波长1550nm）进行单一波长采样，分析相应波长的光信号衰减曲线，得出气体的种类以及浓度的对应关系，实现气体种类以及浓度的检测。由图-1可知系统主要分为气室设计、光电转换、信号采集。一、光纤间的衔接对准：PCF光纤中需充入检测气体，所以SMF光纤和PCF光纤间有一段间距，并存在一个光纤对准问题，光纤对准在实验中方法较多，但都比较复杂，本系统对光纤的对准角度要求较高。二、 气室设计：气室在整个系统中属于敏感器件，光纤只是起到了传输光的作用，气室的作用
4、是实现空间光路和光纤光路的耦合。气室的设计需满足：吸收光程尽可能长、耦合损耗低、气室材料不与被测气体发生化学反应。三、 光电转换及信号处理：后端的控制系统是基于电信号处理，所以光电转换是其中一个必不可少的环节。经初期测试得出光信号经20 米左右的PCF光纤后的光功率只有数微瓦，即将这种光信号转换成电信号，便会引入一些高频噪声.关于如何保证整个系统的准确性，其信号处理也是本课题研究的一个主要问题。四、光波长与气体间联系: 假设气体在入射光光谱范围内有特征吸收峰，则光波经过气体后，特定波长的光被吸收，就可以得到气体的吸收谱线，通过标定气体吸收峰位置，可进一步得到对气体种类的识别。本系统就是利用某些
5、气体在光子晶体光纤内的吸收峰，测量因气体吸收产生的谱线。得到气体的种类和浓度跟波长之间的关系，下表给出了吸收谱线在光子晶体光纤（1550nm左右的宽带光源）的几种重要的气体及其吸收峰位置。 表- 1气体种类 吸收峰波长（um） 可能污染来源二氧化碳（CO2） 1.57、1.538甲烷（CH4） 1.36、1.50、1.58 煤矿煤层气体一氧化碳（CO） 1.57 发电厂废气拟解决的关键问题：1. 保证检测的准确性，本系统通过直接耦合光纤实现实时校准。2. 耦合问题，SMF光纤和PCF光纤的耦合，要使耦合光损耗最小，且气体能顺利充入PCF光纤中，PCF长度的确定。3. 弱信号的处理，及光电转换、
6、小信号放大、去噪等问题。4. 气室的密闭性，两个气室是通过压强差对光子晶体光纤充入气体的，所以气室的密闭性直接影响系统的最终结果。三、项目研究与实施的基础条件基础条件：1. 具备了光功率损耗和波长的理论分析和原理上实现。2. 通过对国内外在光纤气体检测领域的分析，确定了研究方向。3. 小组成员对光纤相关学科知识具有了一定的理解，并对该项目中涉及到电路设计、器件选择、程序设计等方面有一定的能力。4. 前期已实现基于SMF和PCF的耦合问题以及气室的设计，对波长和气体的对应关系有初步的参考数据。四、项目实施方案该项目分为四个模块进行设计： PCF晶子光纤充气模块设计，APD雪崩二极管检测模块，流压
7、转换及弱信号放大模块，数据采集处理模块设计。实现具体方案如图所示：宽带光源 气室一 气室二SMF光纤 PCF光纤 SMF光纤进气 抽气 可调谐滤波器APD光电转换电路放大电路数据控制处理中心SMF光纤 PCF光纤 SMF光纤控制可调谐滤波器图-2系统框图1. PCF晶子光纤充气模块设计由于光子晶体光纤 (Photonic crystal fiber, PCF)是一种基于光子晶体特性的新型光纤轴的微孔如图。光子晶体光纤由于结构设计灵活，具有：无截止单模特性、可控非线性特性、灵活控制的色散特性、高双折射特性。所以用光子晶体光纤完成光谱吸收型气体传感是最好的选择图- 3光子晶体该模块可分为两大部分来
8、实现，气室充气光路设计，校准光路设计。而气室充气光路的设计将包含两个方面：气室设计，光纤间的衔接对准。而这一块的设计至关重要。气室设计：为了能够给光子晶体光纤中充入气体，就需要设计两个气室,气室一和气室二。宽带光源输出中心波长1550nm的光源，通过SMF光纤将光信号接入PCF光纤，并在接口处加充气气室一，光通过一定长度的PCF光纤之后再接入SMF光纤。在这个接口处加抽气气室二，通过气室一和气室二的充气与抽气，产生一个压强，使PCF光纤内充满待测空气，光通过这段光纤就会产生相应气体浓度的衰减，因此气室的设计一定要保证密闭性。光纤间的衔接对准：由于SMF光纤要将信号注入到PCF光纤中，但又不能使
9、两个光纤完全接触，需要有空隙可以让被检测气体进入PCF光纤。然后光纤又很细，因此在两个光纤接触对准上是一个难点，需要一个好的光学实验平台来支持这项设计。由于考虑到系统稳定性的准确性，所以同时要设计一个不经过气体吸收的光路。对整个系统进行实时校准。该光路的设计较气室充气光路来说较为简单，因为不需要给里面充入被测气体，则两个光纤接口可以完全密封接触。从而起到实时校准系统的作用。2. APD雪崩二极管检测模块光本身通过光子晶体光纤会产生一个损耗，而经气体吸收后会加大光信号的衰减，而由于我们要检测特定气体的浓度，因此在光进入光电检测器之前需要加可调谐滤波器，之后我们可得到波长范围较窄的一个光信号，此时
10、的光信号已经衰减到很小，普通PIN光电检测器的灵敏度已经难以满足设计要求。在此我们选用APD雪崩二极管进行检测。由于所测量的信号极其微弱，为了提高测量的动态范围，应选择高灵敏的光电探测器，在此选择InGaAs材料的APD雪崩二极管作为光电转换器件。为了使APD工作在极限灵敏度范围，必须使反向偏压（Vb）稍高于雪崩击穿电压（Vbr），这样才能达到较高的探测效率。这里选用了美信公司的MAX5026，一种低噪声、升压型的脉宽调制DC-DC转换芯片，转换频率恒为500KHz，输入电压范围宽（3V-11V），输出电压摆幅大（VCC36V），最大输出功率120mW，特别适合用于低噪声APD偏置电源设计中。
11、图-4APD偏压源电路如图所示的APD偏压源电路由PWM升压型DC-DC转换器MAX5026和铁氧体磁心电感线圈L组成，通过电容C3，C4和二极管D3，D4构成倍压电路，使得输出电压最高可达71V。其中，Vc是控制输入电压基准，大小从0-2.5V可调。并且当Vc为0V时，输出电压最高为71V；当为2.5V时，输出电压为24.7V。由于所选的APD雪崩二极管雪崩电压为50V，因此调节Vc，使得偏置电压为47V即可满足偏置要求。3. 流压转换及弱信号放大模块a.流压转换电路图-5APD雪崩二极管的I-V变换电路原理图如图-5光信号经APD雪崩二极管转换为电流信号后，仍需前置放大器进行 VI 转换，
12、因APD内阻较大（ M400 ），选用互阻型运算放大器。本设计中选用Ti公司的OPA380运算放大器，其内部结构为电压并联负反馈放大器，这使得它在 VI 转换方面具有优良的性能，且具有宽频带和低噪声等优点。由上图可知，Rf和Cf将直接决定输出电压的大小和信号特性。其中输出电压幅值可用下式表示： fs RI 0V ;并且保证信号的稳定性，减小噪声，采用高精度电阻，将R7取为典型值100K。同时C9在该电路中相当于补偿电容，防止运放因相位改变而产生自激振荡，这里取值为2pF。b. 弱信号放大电路信号经OPA380放大后，幅值约为300 ppmV ，为便于后续信号处理，还需一级主级运算放大器进一步放
13、大，本设计中使用TI公司的OPA2652运算放大器，并将放大倍数设为 10Av ，最终得到信号幅度约为3V左右，符合后续处理要求。如图所示：图-6信号调理电路4. 数据采集处理模块设计基于嵌入式的数据处理模块设计，该方案由于是采用嵌入式系统设计，所以其优点有：可靠性高。嵌入式系统大都是芯片等部件，与计算机系统的硬盘、扩展卡相比，具有防震、防尘及环境温度要求低等优点硬件集成度高，使系统整体可靠性大大提高，以及体积小，重量轻，携带、维护方便等。基于LabVIEW的数据处理模块设计。数据采集卡采样精度高，通过PC机处理数据，处理速度快。该模块设计可提供以下两套方案：方案一：基于嵌入式的数据处理模块设
14、计数据采集模块的功能是对经过处理的信号进行A/D转换，然后对转换的数据处理，最后将处理完成后的数据在LCD上进行显示嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。嵌入式设备通常都具有便利灵活，性价比高，嵌入性强等特点；嵌入式设备应用涉及工业控制、交通管理、信息家电、以及家庭智能管理系统
15、等领域，其中以ARM公司设计的嵌入式处理器应用最为广泛；ARM9处理芯片是ARM公司设计的一款高性能、低功耗的32位微处理器芯片，以三星公司的S3C2440为例，芯片的最高主频可达400MHz，外围端口的最大时钟为68MHz,同时提供了最大1GB的内存存储空间；S3C2440提供了130个通用I/O口，单个IO端口最大引脚数为25个，支持3.5寸的彩色TFTLCD面板以及可触摸操作。数据的采集与处理是本模块的关键步骤，在数据采集方面，考虑到实际的数据变化较小，因此在A/D芯片的选择上要使用高精度的A/D芯片，常见的高精度ADC芯片有16位、18位以及24位，由上面对S3C2440的分析可知，单
16、个IO口的最大引脚为25个，而端口最大时钟可达到68MHz,基本满足对上述芯片的驱动。而在数据处理方面，主频为400MHz的S3C2440芯片可以在短时间内完成对批量采样数据的处理，并将结果显示在LCD上。如图为设计流程图。该方案由于是采用嵌入式系统设计，所以其优点有：可移动性强，轻巧方便，成本相对较为低廉。图-7 设计流程图方案二：基于LabVIEW的数据处理模块设计实验室虚拟仪器工程平台（LabVIEW）是一种专门用于数据采集、分析及仪器控制的图形化软件，它所开发的虚拟仪器将计算机强大的数据处理能力与仪器的硬件测试控制能力很好地结合在一起。LabVIEW的图形化开发环境具有精确、高效、功能强大、开发简易、实时性强、界面友好等优点，为用户提供了强大功能和使用的灵活性，非常适合用于进行仿真、实时检测和控制。目前，LabVIEW已经成为测试领域应用最广泛和最有前途的软件开发平台之一，也是应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境之一。虚拟仪器可以利用高性能的模块化硬件，
