光譜吸收型光纖氣體傳感器的研究和設(shè)計(jì).pdf

1、隨著石油、天然氣工業(yè)以及煤炭工業(yè)的發(fā)展，煤礦安全、環(huán)境污染等一系列問(wèn)題正成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，對(duì)煤礦生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中產(chǎn)生的有害氣體進(jìn)行高靈敏度檢測(cè)變得十分重要。光譜吸收型光纖氣體傳感器因具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、分辨力高，抗電磁干擾、適用于易燃易爆的危險(xiǎn)場(chǎng)合等優(yōu)點(diǎn)，倍受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，從而具有重大的研究意義。 本課題在Lambert-Beer定律基礎(chǔ)上，利用氣體在石英光纖透射窗口內(nèi)的吸收峰，測(cè)量由于氣體吸收產(chǎn)生的光強(qiáng)衰減

2、，從而反演出氣體的濃度。設(shè)計(jì)了兩套可行實(shí)驗(yàn)方案，分別解決了目前差分檢測(cè)和諧波檢測(cè)中存在的主要技術(shù)難題。并分別以CH4和C2H2作為目標(biāo)氣體進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，主要研究?jī)?nèi)容如下： (1)研究基于紅外光譜吸收的光纖氣體傳感機(jī)理。依據(jù)氣體的吸收特性，研究光源、光探測(cè)器、光纖光柵參數(shù)的選擇及其之間的耦合技術(shù)，設(shè)計(jì)穩(wěn)定低噪聲光學(xué)傳感氣室，并研究氣室長(zhǎng)度對(duì)傳感器靈敏度的影響。 (2)研究氣體檢測(cè)方法，對(duì)目前常用的差分

3、檢測(cè)和諧波檢測(cè)方案的原理、存在的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了分析和討論。并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)解決方案，設(shè)計(jì)并搭建兩種檢測(cè)系統(tǒng)。 (3)搭建新穎可靠的時(shí)間雙差分傳感系統(tǒng)。 ●設(shè)計(jì)用于氣體傳感中微弱信號(hào)測(cè)量的便攜式雙光路光電檢測(cè)采集系統(tǒng)，解決了目前差分檢測(cè)中存在的小信號(hào)有效放大和大信號(hào)飽和的矛盾； ●將信號(hào)采集單元集成于電路之中，形成一便攜式系統(tǒng)，克服了目前光電檢測(cè)和采集系統(tǒng)體積磐大的問(wèn)題； ●采用CH4作為目標(biāo)氣體取得了

4、良好的測(cè)量結(jié)果。 (4)搭建基于FBG和線性濾波器的波長(zhǎng)調(diào)制檢測(cè)系統(tǒng)。 ●設(shè)計(jì)新穎光源調(diào)制系統(tǒng)，獲得了適合氣體檢測(cè)的窄帶掃描光源；降低光源成本的同時(shí)，解決了窄帶光源相干性高引起的系統(tǒng)附加干涉問(wèn)題； ●首次提出利用氣體吸收曲線的近似線性部分和線性濾波器邊緣濾波特性，解決當(dāng)前諧波檢測(cè)技術(shù)中存在的窄帶光源不穩(wěn)定以及中心波長(zhǎng)不精確鎖定影響測(cè)量精度的技術(shù)難題； ●首次通過(guò)該種技術(shù)實(shí)現(xiàn)中心波長(zhǎng)的跟蹤； ●設(shè)計(jì)