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光纤光学式甲烷气体传感器的设计与实验研究

作　者: 张景超
导　师: 王玉田
学　校: 燕山大学
专　业: 测试计量技术及仪器
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
分类号: TP212
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-15
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

光纤光学式甲烷气体传感器的设计与实验研究

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