光纤光学式甲烷气体传感器的设计与实验研究

【摘要】：光纤气体传感技术是一项正在发展中的新型测试技术,在工业生产、环境保护和医学等领域具有广阔的应用前景。近十几年来,随着光纤传感技术的发展,光纤气体传感器的研究在国内外均受到广泛的重视。光纤气体传感器以光作为被测量的信号载体,对测量对象不产生影响,其自身独立性好,并适应各种使用环境,由其组成的光纤传感系统便于与计算机连接,可满足多功能、智能化的要求,与光纤遥测技术相配合可实现远距离测量与控制。 瓦斯是发生在煤矿中重大自然灾害的根源之一,瓦斯爆炸严重威胁到煤矿作业人员的生命安全,影响矿井的正常生产。矿井中瓦斯的主要成分是甲烷,有效准确地预测甲烷爆炸的相关信息关系重大。本文提出基于分布反馈式半导体激光器(DFBLD)的波长调制技术、光纤传感技术和微弱信号检测技术,设计了一种新的气体检测传感系统和仪器。实验证明该仪器灵敏度高、重复性和稳定性好。该仪器稍加改进或换上其它附件,即可测量其它多种气体的浓度,在气体浓度测量领域,具有较好的应用前景。 本文的主要研究工作如下: (1)传统的检测方法采用光谱吸收法检测气体浓度,所用的气室有透射型吸收气室、反射型吸收气室和准直型渐变折射率透镜吸收气室。本文将汇聚型渐变折射率透镜即小型渐变折射率透镜应用到实际测量中,并使用光纤作为传输工具。小型渐变折射率透镜能使发散的反射光不再返回原光路,消除部分噪声,提高了信噪比。 (2)气体吸收的谱宽很窄,只占测量光源光强的几千分之一,比光源变化的噪声还要小,因此气体吸收微弱信号的检测十分重要。本文采用Ring-down腔技术于气室,使光按一定路径反复经过气室,增加了光和气体的有效作用距离,增强了有效吸收,提高了测试灵敏度。 (3)目前大部分测量气体浓度所用光源是激光二极管,但因其功率小加之光纤耦合的损耗,测量精度较小,灵敏度也低。本文使用1.65μm分布反馈式半导体激光器作光源并采用波长调制技术,使测量信号稳定,提高了测量精度。 (4)将小波变换技术应用于甲烷吸收光谱附近的几种干扰气体光谱信号的滤波、平滑和去噪处理,处理后的光谱信号前后峰位置、峰高、峰面积几乎均保持不变,实验结果表明,测量结果与理论模拟基本保持一致。 【关键词】：甲烷 光纤气体传感器 小型渐变折射率透镜 Ring-down腔 分布反馈式半导体激光器 波长调制
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 第1章 绪论15-35
• 1.1 引言15-17
• 1.2 课题研究的目的和意义17-18
• 1.3 气体传感技术分析18-24
• 1.3.1 气体传感技术的种类18-23
• 1.3.2 气体传感技术的现状和存在的问题23-24
• 1.4 光纤气体传感器24-33
• 1.4.1 光纤气体传感器的分类25-29
• 1.4.2 吸收式光纤气体传感器的研究现状29-33
• 1.5 课题来源33
• 1.6 论文的主要研究内容33-35
• 第2章 光纤气体传感机理35-58
• 2.1 引言35
• 2.2 气体分子光谱理论35-44
• 2.2.1 双原子分子的跃迁能级结构35-39
• 2.2.2 多原子分子的跃迁能级结构39
• 2.2.3 气体分子的吸收线型和线宽39-42
• 2.2.4 气体分子吸收谱线的强度分布42-44
• 2.3 差分吸收检测44-48
• 2.3.1 宽带光源LED 差分吸收检测45-46
• 2.3.2 窄带光源的差分吸收检测46-48
• 2.4 调制技术48-54
• 2.5 多点光纤气体传感网络54-57
• 2.5.1 光纤无源传感网络55
• 2.5.2 光纤气体传感复用技术55-57
• 2.6 本章小结57-58
• 第3章 气体传感系统各部分性能分析58-85
• 3.1 引言58
• 3.2 检测系统的总体结构58
• 3.3 光纤气体传感用光源58-62
• 3.3.1 白炽光源59
• 3.3.2 气体激光器59-60
• 3.3.3 半导体激光器60-62
• 3.4 敏感元件(吸收气室)结构62-65
• 3.4.1 气室结构62-63
• 3.4.2 Ring-down 腔技术63-65
• 3.5 光探测器的特性65-69
• 3.5.1 半导体光电探测器66
• 3.5.2 光探测器的特性参数66-68
• 3.5.3 光探测器等效电路68-69
• 3.6 光纤连接耦合69-70
• 3.6.1 光纤与光纤的连接69
• 3.6.2 光纤与光源和探测器的耦合69-70
• 3.6.3 光纤与气室的耦合70
• 3.7 光纤的损耗特性70-71
• 3.8 DFB LD 控制单元71-72
• 3.9 调制信号单元72
• 3.10 光路单元72-74
• 3.11 检测单元74-80
• 3.11.1 光电探测器74
• 3.11.2 前置放大电路设计74-76
• 3.11.3 滤波电路设计76-79
• 3.11.4 锁相放大器79-80
• 3.12 光电信号变换与检测技术80-84
• 3.12.1 光电信号的相关检测81-83
• 3.12.2 光电信号的锁相放大电路83-84
• 3.13 本章小结84-85
• 第4章 基于小波去噪的光纤甲烷气体检测系统的信号处理85-96
• 4.1 引言85
• 4.2 小波去噪85-92
• 4.2.1 小波变换去噪原理86-87
• 4.2.2 甲烷吸收光谱的小波去噪87-92
• 4.3 数据处理系统的设计92-95
• 4.4 本章小结95-96
• 第5章 光纤甲烷气体传感器的实验研究96-112
• 5.1 引言96
• 5.2 实验样机96
• 5.3 DFB LD 的特性测试96-98
• 5.3.1 DFB LD 的输出波长随温度的变化96-97
• 5.3.2 DFB LD 输出波长随注入电流的变化97-98
• 5.3.3 DFB LD 输出功率随注入电流的变化98
• 5.4 WMS 技术用于甲烷浓度的检测实验98-104
• 5.4.1 甲烷浓度检测98-99
• 5.4.2 系统工作条件的确定99
• 5.4.3 无甲烷吸收和自然条件下甲烷吸收的一次谐波输出信号99-102
• 5.4.4 甲烷吸收的二次谐波检测信号102-103
• 5.4.5 二次谐波输出信号最大幅值和甲烷浓度的关系103-104
• 5.5 光纤链路损耗实验104-105
• 5.6 系统的灵敏度、分辨率和信噪比105-108
• 5.7 系统的标定实验108-111
• 5.7.1 示值比对实验108
• 5.7.2 交叉灵敏度实验108-109
• 5.7.3 重复性实验109-110
• 5.7.4 稳定度测定实验110-111
• 5.8 本章小结111-112
• 结论112-114
• 参考文献114-121
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果121-122
• 致谢122-123
• 作者简介123

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