基于自聚焦透鏡的透射式氣室設(shè)計(jì)

基于自聚焦透鏡的透射式氣室設(shè)計(jì)

0光纖氣體傳感器的應(yīng)用傳統(tǒng)氣體檢測(cè)通常采用電式氣體傳感器，其技術(shù)相對(duì)成熟，但在使用過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生燃料并引起爆炸。傳統(tǒng)的光纖氣體傳感器彌補(bǔ)了這些安全缺陷，能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境。光纖氣體傳感器的基本形式有吸收型、燃料指示劑型、熒光型、基于折射率變化/光程變化型、漸逝場(chǎng)型等。其中吸收型光纖氣體傳感器比其他光纖氣體傳感器的靈敏度更高,響應(yīng)速度更快,抗溫度、濕度等環(huán)境干擾能力更強(qiáng),是目前最有前途和接近實(shí)用化的一種氣體傳感器。一般常見的有害氣體(如CO、CO2、SO2、NO2、NH3、CH4、C2H2等)都可以利用吸收型光纖氣體傳感器進(jìn)行檢測(cè)。1氣體濃度檢測(cè)除了非極性分子的氣體外,大多數(shù)氣體在紅外波段有特征吸收譜線,在近紅外和可見波段還有較弱的泛頻吸收譜,這些譜線正好在石英光纖的低損耗窗口范圍內(nèi)(1.0～1.7μm),因此吸收型光纖氣體傳感器一般情況下可利用這些在近紅外波段的氣體吸收光譜進(jìn)行檢測(cè)。如果光源光譜覆蓋一個(gè)或多個(gè)吸收譜線,光通過(guò)氣體時(shí)發(fā)生衰減,當(dāng)氣體濃度較低時(shí),出射光強(qiáng)與被測(cè)氣體濃度關(guān)系滿足比爾-朗伯(Beer-Lambert)定理,即:I=I0exp(-α(λ)LC)(1)式中:I為輸出光光強(qiáng);I0為輸入光光強(qiáng);α為吸收系數(shù)(與波長(zhǎng)有關(guān));L為光與氣體作用的長(zhǎng)度(光程);C為氣體濃度。從式(1)可以看出,當(dāng)吸收系數(shù)、光程確定后,光強(qiáng)的衰減就只與氣體濃度相關(guān)。紅外光譜吸收型的光纖氣體傳感器利用這一原理,通過(guò)測(cè)量氣體在特定吸收峰處引起的光強(qiáng)衰減,就可以得到待測(cè)氣體的濃度。2透射式氣室結(jié)構(gòu)原理吸收型光纖氣體傳感器中,氣室是傳感器的核心部件,氣室的設(shè)計(jì)是否合理關(guān)系到系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。氣室一般分為透射型和反射型兩種。反射式氣室結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,一般由兩塊或數(shù)塊平面或凹面反射鏡組成,通過(guò)改變氣室中光在反射鏡間的反射次數(shù)可以增加光程。透射式氣室較反射式氣室簡(jiǎn)單,由輸入、輸出兩組透鏡組成,從光纖中射出的光,經(jīng)輸入透鏡準(zhǔn)直,變?yōu)槠叫泄?經(jīng)過(guò)氣室后,由輸出透鏡耦合到輸出光纖中。常規(guī)的透射式或反射式氣室由于存在光纖和分立光學(xué)元件的耦合問(wèn)題,準(zhǔn)直復(fù)雜,溫度穩(wěn)定性和抗振性能差。2.1罪犯光學(xué)透鏡自聚焦透鏡在氣室中的應(yīng)用解決了使用分立光學(xué)元件的這些問(wèn)題,使用帶尾纖的自聚焦透鏡與光纖的匹配性能更好,耦合損耗更小。自聚焦透鏡又稱為梯度變折射率透鏡,是一種折射率分布沿徑向漸變的柱狀光學(xué)透鏡。具有聚焦和成像功能。傳統(tǒng)的透鏡成像是通過(guò)控制透鏡表面的曲率,利用產(chǎn)生的光程差使光線匯聚成一點(diǎn)。自聚焦透鏡同普通透鏡的區(qū)別在于,自聚焦透鏡所用的材料能夠使沿軸向傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生折射,并且其折射率是按沿徑向逐漸減小的規(guī)律分布的,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)出射光線被平滑且連續(xù)地匯聚到一點(diǎn),如圖1所示。其折射率變化公式為:N(r)=N0(1?A2r2)(2)Ν(r)=Ν0(1-A2r2)(2)式中:N0為自聚焦透鏡的中心折射率;r為透鏡的半徑;A為透鏡的折射率分布常數(shù)。自聚焦透鏡的折射率分布曲線如圖2所示。2.2氣室的耦合系統(tǒng)利用自聚焦透鏡的端面聚焦的特性,可將其作為光纖準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡,并應(yīng)用于透射型氣室。使用帶尾纖的自聚焦透鏡構(gòu)成的透射型氣室如圖3所示。圖中左邊為一個(gè)1/4截距的準(zhǔn)直透鏡,當(dāng)來(lái)自輸入光纖的光從透鏡左端面輸入時(shí),經(jīng)過(guò)透鏡后轉(zhuǎn)變成平行光線;圖中右邊為一個(gè)1/4截距的聚焦透鏡,平行光從其左端面輸入,經(jīng)過(guò)透鏡后光線匯聚在其右端面上,并耦合進(jìn)入輸出光纖。這種氣室結(jié)構(gòu)具有耦合損耗小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、抗震性好、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。圖3所示的氣室中,其輸出光強(qiáng)可表示為I=I′0η1exp[-α(λ)l1C](3)式中:η1為自聚焦透鏡的耦合系數(shù);l1為兩透鏡端面的間距。2.3加氣室長(zhǎng)度的影響和其他透射式氣室一樣,對(duì)于基于自聚焦透鏡的透射式氣室,要提高其靈敏度一般也是采取增加氣室長(zhǎng)度的方法,通過(guò)增加吸收光程來(lái)獲得更高靈敏度。但在對(duì)傳感器尺寸有限定的場(chǎng)合不能任意加長(zhǎng)氣室,在這種情況下,可以在氣室中將多對(duì)自聚焦透鏡組串聯(lián)使用,如圖4所示,這種方法可以實(shí)現(xiàn)在不增加氣室長(zhǎng)度的情況下增加吸收光程,透鏡組的數(shù)量可根據(jù)所需光程的大小來(lái)確定。對(duì)圖4所示的氣室有:I1=I′0η1exp[-α(λ)l1C](4)I2=I1η2exp[-α(λ)l2C](5)將式(4)代入式(5)可得:I2=I′0η1η2exp[-α(λ)(l1+l2)C](6)同樣,可得I3和Ik為I3=I′0η1η2η3exp[-α(λ)(l1+l2+l3)C](7)I=Ik=I′0(η1η2η3…ηk-1ηk)exp[-α(λ)·(l1+l2+l3+…+lk-1+lk)C]=I′0ηexp[-α(λ)LC](8)式中:η為自聚焦透鏡組的總耦合系數(shù),η=η1η2η3…ηk-1ηk;L為總光程,L=l1+l2+l3+…+lk-1+lk.由式(8)可得待測(cè)氣體的濃度為C=?1α(λ)LlnII′0η(9)C=-1α(λ)LlnΙΙ′0η(9)3自聚焦透鏡組實(shí)際設(shè)計(jì)并制作了如圖4所示的基于自聚焦透鏡的吸收型光纖傳感器的氣室,采用了24對(duì)直徑2.0mm、1/4截距、波長(zhǎng)1550nm的自聚焦透鏡組,透鏡端面間距50mm,總光程1200mm,總耦合系數(shù)0.04,外形尺寸90mm×55mm×50mm.已將該氣室成功地應(yīng)用于基于諧波檢測(cè)技術(shù)的光纖氣體傳感器系統(tǒng)中,并用于甲烷、乙炔等氣體的濃