第四章 結果與討論
4.3 不同氣體對塑膠微結構光纖氣體感測器靈敏度之影響
當光纖通過介質時，即使不發生反射、折射的現象，其傳播情況 也會發生變化。如果光源光譜覆蓋一個或多個氣體分子吸收，當光通 過氣體時就會發生衰減，所以可用比爾-郎伯定律(Beer-Lambert Law)
來進行分析。波長為 λ 單色光，輸出光強度為 I、輸入光強度為 I0與 氣體分子之關係為
αCL) I (
I = exp −
0
式中C 為氣體吸收濃度(mol dm-3)，α 為單位長度、單位濃度的吸收 係數(m2 mol-1)，L 為光纖長度(cm)，將上式改寫為下式
/I) L (I
C 1 ln 0
=α
當光纖感測器氣體室無待測氣體時，透過氣體室將由功率計量測出的 光強度為I0，當待測氣體通入氣體室時到達一到濃度C 時，此氣體對 光源發出的光有最強的吸收，所量測出的光強度為 I。於是見由 I0與 I 的相比，並有一定程度的衰減產生，通過測得 I0與 I 的比值，便可 檢測出氣體濃度。因此，本研究利用上述的關係式，對氮氣和氧氣兩 者氣體進行氣體擴散的檢測。表4.2 是給一定的氧氣濃度，光纖氣體 感測器功率量測結果。其中 I0是未通入待測氣體功率計的讀數，I 是 被測氣體通入後功率計讀數，I’0 是被測氣體移除後功率計的讀數，
實驗結束後，在量測其功率計(ΔI’)讀數其差異性不大，因此，可以 降低實驗的誤差。
表 4.2 光纖氣體感測器檢測結果 單位 nW
次數 I0 I I’0 ΔI ΔI’
1 2.6908 1.0488 2.68 1.642 0.011 2 2.7231 1.0497 2.71 1.673 0.013 3 2.6580 1.0514 2.65 1.607 0.008
4.3.1 氮氣對塑膠微結構光纖氣體感測器靈敏度之影響
本研究在未通入氮氣時，將光纖感測氣體室抽氣 60 min，以去 除原先光纖空孔的水分和氣體室本身的其他雜質，使其內部腔體處於 真空狀態再進行氣體感測實驗。將光纖氣體感測器做過真空處理後，
再通入待測氣體(氮氣)持續 30 min，以每 2 min 的間隔量測氣體擴散 所造成光強度變化。從圖 4.7 中，得到當通入氮氣後，能量損失有明 顯提高。這是由於氣體吸附於光纖後，氣體本身對光有吸收特性，因 而造成一部分光散失。隨著通入氮氣的時間越久，能量損失也逐漸變 大。通入氮氣時間在 30 min 後，發現其能量損失未能趨近於平穩狀 態，推論其主要原因可能是本實驗室所使用的光源是半導體紅光雷 射，而氮氣是惰性氣體而對光的吸收波長並不是近紅外線的原因，所 以氮氣對紅外光線的吸收效果較差，較不易吸附在光纖孔壁上，因不
易達到飽和狀態。
圖4.7 通入氮氣後能量損失變化圖
4.3.2 氧氣對塑膠微結構光纖氣體感測器靈敏度之影響
本研究將待測氣體改為氧氣進行氣體吸附感測，將感測用的氣體 室抽真空處理 60 min 後，並通入氧氣進行氣體吸附感測。從圖 4.8 中結果顯示中，當通入待測氣體氧氣時其能量損失變化明顯改變，變 化範圍約在通入氧氣後至10 min 間，10 min 後其氣體以完全吸附於 光纖表面上了，因此能量損失變化趨近於平穩的狀態且變化幅度將慢 慢的緩和下來。由於氧氣對光的吸收波長為 0.761 μm，與近紅外線 光波長相近，因此對紅光的吸收效果佳，影響的能量損失變化也較為 明顯。經由比爾-郎伯定律(Beer-Lambert Law)公式算出其濃度為 0.0042 mol dm-3。
圖4.8 通入氧氣後能量損失變化圖
4.3.3 乙炔對塑膠微結構光纖氣體感測器靈敏度之影響
本研究將待測氣體換成乙炔進行氣體感測實驗，從圖4.9 中發現 當通入乙炔造成的能量損失變化明顯增大，其變化趨勢由通入乙炔後 到統統入時間12 min 後，在 12 min 過後能量損失變化便為平穩狀態，
因為乙炔對光的吸收波長是近紅外線光波長約為1.53 μm，對本實驗 所使用光源半導體紅光雷射其吸收效果佳因此對待測氣體乙炔可短 時 間 吸 附 於 光 纖 孔 壁 上 達 到 飽 和 狀 態 。 經 由 比 爾 - 郎 伯 定 律 (Beer-Lambert Law)公式算出其濃度為 0.0085 mol dm-3。
圖 4.9 通入乙炔後量損失變化圖
4.3.4 三種氣體對塑膠微結構光纖氣體感測器靈敏度之比較
圖4.10 顯示出當通以不同待測氣體，因為擴散速度的不同，所以造 成的的能量變化也有所不同。依據格銳目擴散定律：同溫同壓時，氣 體擴散速率(r)與其密度(氣體分子量)平方根成反比。公式如下：
1 2 1
2 2
1
r M
M D
r = D =
式中r 為氣體擴散係數，D 為密度，M 為分子量。
由格銳目擴散定律得知，其分子量越小者，其擴散速率越快。氮氣(N2) 的分子量為 28，乙炔(C2H2)的分子量為 30，而氧氣(O2)的分子量為 32，因此從圖中，可以看出當通以不同待測氣體時，分子量的不同所
表面也越快，造成的能量損失變化較大。以氮氣來說，通入於氣體感 測器時，由於分子量較小的緣故，所以擴散速率也越快，造成能量變 化幅度大，但其最終為達到平穩狀態，所以氣體感測靈敏度較低，而 氧氣和乙炔這兩種待測氣體，分別於通入氣體10 和 12 min 後其能量 損失變化便可以達到平穩狀態。
圖 4.10 三種待測氣體能量損失變化圖