光纤甲烷气体传感系统的研究

【摘要】： 甲烷作为瓦斯、天然气、沼气等的主要成分,是易燃易爆气体。因此,对环境中的甲烷气体成分进行准确测量,可以避免和预防灾害性事故的发生,从而保证公共安全。在甲烷气体的各种测量方法中,目前研究的热点是基于红外光谱吸收原理,即通过检测甲烷气体对特定吸收峰波长光源的能量吸收,实现对甲烷的浓度测量。而且近红外波段的光纤甲烷气体检测,因其实用性强、受环境影响小、易于组网和适合远距离测量等特点,受到越来越多的重视。 论文基于近红外光谱吸收气体传感原理,通过对甲烷气体的近红外吸收光谱特性曲线进行分析,选定了系统测量吸收峰波长。采用相应波长的DFB半导体激光器作为测量光源,利用频率调制谐波检测方法,分析了甲烷气体吸收的谐波检测数学模型,从而检测出甲烷气体浓度信息。 论文设计了激光光强稳定控制模块,并实现了光源中心波长与甲烷气体吸收峰的精确锁定控制;设计了体积小、结构紧凑的微光学传感单元,采用光纤准直器用于激光准直及扩束,其精密的一体化设计减少了分立器件引起的光路干扰,提高了光的耦合效率;根据实测气体吸收信号特点,采用锁相放大技术进行弱信号检测,设计了一种适合甲烷气体测量的锁相放大模块。 在实际测试中,利用本系统对甲烷气体试样进行了测量,其结果证明了所设计系统的可行性。最后,分析了系统存在的问题及应该改进的内容。 【关键词】：光纤气体传感 光谱吸收 甲烷 谐波检测 微光学传感单元 锁相放大
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TP212.1
【目录】：

• 第一章 绪论7-14
• 1.1 课题的背景及研究意义7-8
• 1.2 光纤气体传感技术介绍8-13
• 1.2.1 光纤气体传感器的分类8-11
• 1.2.2 光谱吸收式光纤气体传感技术国内外研究现状11-13
• 1.3 课题研究内容13-14
• 第二章 光纤甲烷气体的传感原理及检测方法14-28
• 2.1 基本原理14-19
• 2.1.1 气体分子近红外选择吸收14
• 2.1.2 气体分子吸收谱线14-17
• 2.1.3 甲烷气体特征吸收谱线的选择17-18
• 2.1.4 光谱吸收式光纤甲烷气体传感的基本原理18-19
• 2.2 检测方法19-26
• 2.2.1 差分吸收检测法19-20
• 2.2.2 频率调制谐波检测法20-26
• 2.2.3 系统检测方案的选择26
• 2.3 系统的总体设计26-28
• 第三章 光源模块及微光学传感单元28-43
• 3.1 光源部分28-36
• 3.1.1 光源的选择28-32
• 3.1.2 光源驱动及稳光电路32-33
• 3.1.3 温控电路33-34
• 3.1.4 调制电路34-36
• 3.2 光纤36-39
• 3.2.1 光纤的分类36-37
• 3.2.2 光纤的传输特性37-38
• 3.2.3 光纤的耦合38
• 3.2.4 系统光纤的选择38-39
• 3.3 光纤分路器39-40
• 3.3.1 熔融拉锥式光纤分路器（Fused Fiber Splitter）39
• 3.3.2 平面光波导分路器（PLC Splitter）39-40
• 3.4 微光学传感单元40-43
• 3.4.1 光纤准直器40-41
• 3.4.2 传感单元的结构设计41-43
• 第四章 光电探测及弱信号提取43-60
• 4.1 光电探测43-48
• 4.1.1 PN 和PIN 光电探测器的工作原理43-44
• 4.1.2 光电探测器的特性参数44-45
• 4.1.3 光电探测器等效电路45-46
• 4.1.4 系统光电探测器的选择46
• 4.1.5 前置放大电路的设计46-48
• 4.2 锁相放大电路48-57
• 4.2.1 锁相放大相关检测原理48-50
• 4.2.2 系统锁相放大电路结构50-51
• 4.2.3 滤波电路51-52
• 4.2.4 同步积分电路52-53
• 4.2.5 移相电路53-54
• 4.2.6 倍频电路54-55
• 4.2.7 相敏检测电路55-56
• 4.2.8 锁相放大电路的噪声分析56-57
• 4.3 数据采集及串口通信57-60
• 4.3.1 硬件电路设计57-59
• 4.3.2 软件设计59-60
• 第五章 测试结果60-66
• 5.1 DFB 激光器光谱特性测试60
• 5.2 光纤及微光学传感单元的损耗测试60-61
• 5.3 光源调制及锁相放大电路测试61-63
• 5.4 甲烷气体吸收实验63-64
• 5.5 系统的灵敏度64
• 5.6 甲烷气体浓度实验及数据对比64-66
• 第六章 全文总结66-67
• 参考文献67-70
• 摘要70-72
• Abstract72-74
• 致谢74

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