钱晓龙, 张亚男, 彭慧杰, 吴奇鲁
东北大学 信息科学与工程学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2016-06-16
基金项目：国家自然科学基金资助项目(61425003，61273059)；教育部中央高校基本科研业务费重点项目(N160404012)；辽宁省自然科学基金资助项目(20170540314)；流程工业综合自动化国家重点实验室基础科研业务费资助项目(2013ZCX09)。
作者简介：钱晓龙(1966-)，男，辽宁鞍山人，东北大学教授。

摘要：以光子晶体光纤(PCF)为研究对象, 以提高气体测量灵敏度为研究目标, 提出一种反射式的光纤气体传感技术.首先, 利用宽谱光源谐波检测技术, 并结合实际应用需求, 设计了基于空芯PCF的反射式气体传感系统, 并详细分析了系统的工作原理.然后, 针对空芯PCF与单模光纤耦合困难、气体填充时间长的问题, 设计了集密封、固定及连接于一体的机械耦合装置作为测量气室.最后, 以乙炔气体为例, 测试了该系统的传感特性, 体积分数分辨力可达0.02%, 最大相对误差为1.39%.该技术将进一步推动PCF在气体传感中的应用, 并为其在实际气体浓度测量中的应用提供了理论和实验基础.
关键词：气体传感空芯光子晶体光纤气室乙炔气体反射式传感器
Reflective Gas Sensor Based on Hollow Core Photonic Crystal Fiber
QIAN Xiao-long, ZHANG Ya-nan, PENG Hui-jie, WU Qi-lu
School of Information Science & Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: ZHANG Ya-nan, E-mail: zhangyanan@ise.neu.edu.cn
Abstract: In order to enhance the gas measurement sensitivity, a reflective optical fiber gas sensing technology was proposed using photonic crystal fiber (PCF). Firstly, the harmonic detection technology of broadband source was used in combination with the practical application demands. Then, aimed at the problems of coupling between hollow core PCF and single mode fiber, and the long infiltrating time of measured gas, a new measured gas chamber was designed, which integrated seal, fixation and connection. Finally, taking acetylene gas as an example, the sensing properties of the proposed sensor were measured. Experiment results demonstrated that the minimum detectable concentration could be as accurate as 0.02%, and the maximum relative error was 1.39%. The proposed technology can further promote the applications of PCF in gas sensing, and lay the theoretical and experimental foundations for its practical applications.
Key Words: gas sensinghollow core photonic crystal fibergas chamberacetylene gasreflective sensor
由于光子晶体光纤(photonic crystal fiber, PCF)的独特结构和优异性质, 自其问世以来便受到研究者的广泛关注^[1-3], 更是为光纤传感器带来了新的发展方向和活力.目前PCF已被良好地用于折射率、温度、应力、弯曲等参数的测量^[4-5].其中, 空芯PCF还具有光子带隙特性, 它可以把95%以上的光能量限制在空气纤芯内传输^[6], 而且其特殊的空气纤芯结构还可用于填充气体分析物.如果利用空芯PCF作为气体传感气室, 那么根据测量光通过空芯PCF前后的光强变化情况, 即可通过朗伯-比尔定律反推出填充气体分析物的浓度^[7-8].
相比于传统气室, 空芯PCF气室不需要借助准直器或高反射镜等光学器件^[9], 不仅有助于提高系统抗干扰能力、降低光路噪声, 同时还具有体积小、重量轻、易缠绕和可延长气体有效吸收路径长度等显著优点, 为设计微型化、高灵敏度、远距离检测的气体传感器提供了新思路.但目前将空芯PCF应用于气体传感系统还存在着耦合损耗大、气体扩散时间长等问题^[10].
本文在此基础上构建了一个基于空芯PCF的反射式光纤乙炔气体传感系统.从系统设计与原理分析、气室耦合结构设计、气体传感特性测试三方面开展研究工作, 最后以乙炔气体为例, 实现了气体浓度的高灵敏度、高准确度、实时在线检测.
1 传感系统设计与分析基于空芯PCF的气体传感器原理结构框图如图 1所示.它的具体工作过程为:光谱光源发出波长为1 525 ~1 565 nm的宽带光, 经环形器1的A端口进入环形器, 然后经环形器1的B端口输出进入滤波用的光纤光栅, 该光纤光栅粘贴于一个等腰三角形悬臂梁的中心轴线上.宽带光信号进入光纤光栅后, 由于光纤光栅的滤波作用, 会反射回一个窄带光信号, 且其中心波长会随光纤光栅所受应变的变化而变化, 该反射信号经环形器1的B端口进入环形器1.本文拟将永久磁铁粘贴于悬臂梁顶端(即自由端), 放置在永久磁铁两端的电磁线圈在受到信号发生器发出的正弦信号作用下, 会产生一个交变磁场并作用在永久磁铁上, 从而调制光纤光栅所受的应变大小, 进而, 光纤光栅的反射波长也会受到调制.被调制后的光进入环形器1后, 由端口C输出, 随后进入耦合器并被分成两束光, 其中一路直接由探测器1进行光电转换后进入计算机进行数据处理, 另一路则进入环形器2的端口A, 再从环形器2的端口B输出进入测量气室, 经气室尾端的反射镜反射后又回入环形器2的端口B, 之后由环形器2的端口C输出, 该信号被光电探测器转换为电信号后进入锁相放大器, 之后锁相放大器的输出信号进入计算机进行采集、处理、显示.
图 1(Fig. 1)

图 1 光纤气体传感器原理结构框图Fig.1 Structure schematic of optical fiber gas sensor

宽谱光源发出的强度为I₀的宽谱光经光纤光栅后, 反射谱线为高斯型, 其线型函数可记为

(1)

式中:λ_B为光纤光栅的中心波长; λ为光信号波长; γ₁为光纤光栅反射谱的半高宽.
如果对光纤光栅施加正弦变化的外力, 则其中心波长也会受到正弦调制, 且其偏移量可表示为

(2)

式中:λ_B0为无外力作用时, 光纤光栅的中心波长; Δλ, ω分别为光纤光栅反射波长变化的幅值和频率, 其大小与所施加的外力有关.由此便实现了光源中心波长的正弦调制.该正弦调制信号经测量气室被待测气体吸收后, 反射回的输出光强为

(3)

式中:η为光传输系数；α为待测气体的吸收系数；C为待测气体体积分数；L为空芯PCF的长度；λ_g为待测气体的吸收峰波长.当光纤光栅的反射波长对准气体吸收峰波长时, λ_B0=λ_g.令, 可得

(4)

经泰勒展开可得该系统的二次谐波系数为

(5)

式中, k的最大值为0.343.
从式(5)可以看出, 二次谐波是一个与气体浓度以及光纤光栅的反射光功率大小有关的参数.由式(1)可知, 光纤光栅的反射光功率与光源光功率大小、光纤光栅中心工作波长以及光纤光栅反射谱的半高宽均有关系.为了避免光源强度波动以及光纤光栅制备误差对测量结果的影响, 本文引入一个参考通道, 实时监测波长调制后的光强信号I₀(λ), 并将二次谐波分量I_2f和I₀(λ)的比值D作为系统的输出, 其大小可以描述为

(6)

这样, 系统的输出只与气体的体积分数有关, 而与光源功率以及光纤光栅参数无关, 可以消除由于光源波动、光纤传输损耗、光纤光栅性能扰动等造成的测量误差, 提高了检测精度.
从式(6)可得, 系统灵敏度可以描述为

(7)

本文采用低成本的宽谱光源结合光纤布拉格光栅滤波器取代可调谐激光器, 并利用波长调制技术实现了一种高精度且高灵敏度的气体测量方法.该方法可以消除由光纤、连接元件、传感探头等引起的传输损耗影响, 而且能避免周围环境和光源输出光强度的波动影响.此外, 由于PCF具有独特的柔韧性、可盘绕性以及低传输损耗, 使光在气室中传播的长度L大大增加.从以上分析可以看出, 系统输出的灵敏度也将显著提高.
2 空芯PCF气室的设计与制备空芯PCF气室中最核心的部件就是空芯光子晶体光纤与普通单模光纤之间的高效率、高稳定耦合装置.本文利用机械耦合对准方式, 设计了如图 2所示的耦合装置.在单模光纤与PCF跳线的连接头处用裸纤适配器夹持, 而两个裸纤适配器的陶瓷插芯之间又用开口套管进行连接, 陶瓷插芯之间有100~200 μm的间隔.其中, 裸纤适配器的陶瓷插芯内径为125~127 μm, 与光纤跳线的外径相当, 插芯外径为2.499 mm; 开口套管的材料为氧化锆, 与裸纤适配器的插头部分材料相同, 且其内径正好与裸纤适配器插头部分的外径相当, 而其侧面开有0.5 mm的缝隙, 可以方便待测气体通过这个缝隙及光纤对准端面之间的缝隙进入空芯PCF的纤芯内.
图 2(Fig. 2)

图 2 空芯光子晶体光纤与普通光纤之间的耦合和对准装置Fig.2 Coupling and alignment device between the hollow-core PCF and conventional fiber

根据前面所设计的空芯PCF与普通光纤之间的耦合方法, 本文设计了如图 3所示的基于空芯PCF的气室.其中, 1为进(出)气口; 2为V型槽; 3为固定槽; 4为螺纹孔.光在气室中的传播路线如图 4所示, 入射光首先经单模光纤1后进入传感用空芯PCF, 然后在空芯PCF中被待测气体吸收后进入单模光纤2, 而单模光纤2的另一端将与反射率为99%的高反射镜直接熔融连接.这样, 当光传输至高反射镜后将会发生反射, 99%能量的光信号被传回单模光纤2, 然后光信号再依次经过单模光纤2、空芯PCF后反射回单模光纤1中.
图 3(Fig. 3)

图 3 光子晶体光纤气气室结构示意图Fig.3 Schematic structure of PCF gas cell

图 4(Fig. 4)

图 4 光在光子晶体光纤气室中的传播路线图Fig.4 Transmission lines of light in PCF gas cell

3 传感特性测试与分析根据前面的系统设计, 最终搭建的基于宽谱光源谐波检测技术的气体浓度测量系统如图 5所示.对体积分数在0.1%~0.5%范围内的乙炔气体进行测试, 每次测量的体积分数增加量为0.1%, 得到的实验结果如表 1所示.可以看出, 随着测量实验的进行(浓度变化), 光电探测器1接收到的光功率I₀会存在小范围的波动, 这很有可能是光源功率波动引起的, 而光源功率的波动同样会引起二次谐波幅值的变动, 所以, 通过检测二次谐波幅值来反演气体浓度时, 测量精度会受光源功率波动的影响.本文选择测量二次谐波幅值I_2f与光电探测器1接收到的光功率I₀之间的比值作为系统最终的输出, 即可以消除光源功率波动的影响.
图 5(Fig. 5)

图 5 测量系统实物图Fig.5 Real object of measurement system

表 1(Table 1)

表 1 乙炔气体体积分数与系统输出之间的对应关系Table 1 Relationship between the acetylene volume fraction and system output φ/% I0/mV 二次谐波幅值I2f/mV 输出D 0 4.0 0 0 0.1 4.1 4.9 1.195 0.2 4.3 10.3 2.395 0.3 4.0 14.6 3.650 0.4 4.4 21.2 4.820 0.5 4.3 25.7 5.977

表 1 乙炔气体体积分数与系统输出之间的对应关系 Table 1 Relationship between the acetylene volume fraction and system output

对系统最终的输出与气体浓度之间的关系进行曲线拟合, 结果如图 6所示.可以很明显地看出, 系统的输出与乙炔气体体积分数之间呈现良好的线性关系(R²=0.995 8).因此, 选该拟合曲线为实验的标定曲线, 即可反演得到乙炔气体的实际体积分数, 进而可得出, 该系统的最大绝对误差为0.00417%, 最大相对误差为1.39%, 表现出了良好的测量准确性.
图 6(Fig. 6)

图 6 系统输出与乙炔气体体积分数之间的关系曲线Fig.6 Relationship between the system output and acetylene volume fraction

本系统的分辨力与二次谐波幅值I_2f对乙炔气体体积分数φ的灵敏度有关, 由表 1可知, φ每变化0.1%，I_2f变化约5 mV.由于实验所使用的锁相放大器能分辨的最小电压变化量为1mV, 因此可得系统的乙炔气体体积分数分辨力为0.02%.
4 结论利用空芯PCF能将传输光能量局域在空气纤芯中, 且具有柔韧性好、传输损耗低的特点, 构建了基于空芯光子晶体光纤的气室, 实现了基于空芯PCF的反射式、微型化、高灵敏度气体传感系统.实验结果表明:该系统的乙炔气体体积分数分辨力为0.02%, 最大相对误差为1.39%.
参考文献

[1]	Knight J C. Photonic crystal fibres[J].Nature, 2003, 424(6950): 847–851.DOI:10.1038/nature01940
[2]	Jiang L H, Zheng Y, Hou L T, et al. An ultrabraoad band polarization splitter based on square-lattice dual-core photonic crystal fiber with a gold wire[J].Optics Communications, 2015, 351: 50–56.DOI:10.1016/j.optcom.2015.04.015
[3]	Yokota H, Ushiroda K, Inoue N, et al. Fabrication of photonic crystal fiber optical attenuators with air hole diameter control using CO2 laser irradiation technique[J].Optical Fiber Technology, 2015, 23: 37–41.DOI:10.1016/j.yofte.2015.01.017
[4]	Naeem K, Kim B H, Kim B, et al. High-sensitivity temperature sensor based on a selectively-polymer-filled two-core photonic crystal fiber in-line interferometer[J].IEEE Sensors Journal, 2015, 15(7): 3998–4003.DOI:10.1109/JSEN.2015.2405911
[5]	Villatoro J, Minkovich V P, Zubia J. Photonic crystal fiber interferometric vector bending sensor[J].Optics Letters, 2015, 40(13): 3113–3116.DOI:10.1364/OL.40.003113
[6]	孙世红. 空芯光子晶体光纤特性研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2011. ( Sun Shi-hong.Study on the properties of hollow-core photonic crystal fiber [D].Chongqing:Chongqing University, 2011.)
[7]	Benabid F, Couny F, Knight J C, et al. Compact, stable and efficient all-fibre gas cells using hollow-core photonic crystal fibres[J].Nature, 2005, 434(7032): 488–491.DOI:10.1038/nature03349
[8]	Kassani S H, Khazaeinezhad R, Jung Y M, et al. Suspended ring-core photonic crystal fiber gas sensor with high sensitivity and fast response[J].IEEE Photonics Journal, 2015, 7(1): 2700409(1-9).
[9]	Zhao Y, Bai L, Zhang Y N, et al. Review on structures and principles of gas cells in the absorption spectrum based optical fiber gas sensor systems[J].Instrumentation Science & Technology, 2012, 40(5): 385–401.
[10]	Thapa R, Knabe K, Corwin K L, et al. Arc fusion splicing of hollow-core photonic bandgap fibers for gas-filled fiber cells[J].Optics Express, 2006, 14(21): 9576–9583.DOI:10.1364/OE.14.009576