81、光纤气体检测与PAKE方案的研究与改进

光纤气体检测与PAKE方案的研究与改进

光纤气体检测系统

在光纤气体检测领域，为了克服温度等环境因素的影响，提高检测系统的准确性和分辨率，达到工程标准要求，相关研究取得了重要进展。

检测原理

当光穿过介质时，即使不发生反射、折射和衍射现象，其状态也会改变。光的频率、介质原子和分子的组成会对光产生影响，使光的特性发生变化，产生吸收和散射现象。基于气体对光的吸收特性，开发了吸收式光纤气体传感器。根据比尔 - 朗伯定律，光通过气体后的强度 $I$ 满足公式 $I = I_0 \exp(-\alpha_{\lambda} cL)$，其中 $I_0$ 是入射单色光强度，$\alpha_{\lambda}$ 是介质在特定波长下单位浓度和单位长度的吸收系数，$c$ 是被测气体的浓度，$L$ 是被测气体与光的作用长度。对该公式进行变换可得 $c = \frac{1}{\alpha_{\lambda} L} \ln \frac{I_0}{I}$。

气体对光的吸收光谱显示，在 1331.5nm 附近有一个相对较强的吸收峰，吸收值为 5.72dBm。在短波方向也存在一组较弱的吸收峰。在 1318.26nm 和 1320.18nm 之间，光几乎不被气体吸收。因此，选择 1319.145nm 和 1331.500nm 的波长用于气体测量。

在光纤气体传感器设计中，使用复折射率 $k_0$ 来描述气体吸收。入射平面波设为 $E_0 \exp(i\omega t)$，输出光为 $E = E_0 \exp(i(\omega t - \beta L))$，其中 $\beta = k_0 = n_r - ik$，$k_0 = \frac{2\pi}{\lambda}$，$