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声表面波气体探测中的激光技术应用研究

作　者: 刘红涛
导　师: 郭茂田
学　校: 郑州大学
专　业: 光学
关键词: 声表面波气体探测激光激发光学检测光纤
分类号: TN249
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

声表面波气体探测是气体传感领域一种较为新颖的探测方法。它借助于敏感介质薄膜对气体的敏感吸附传递气体浓度信息,反应灵敏且功耗很小,目前已被广泛用于各种常见气体的传感探测。本文首先对声表面波气体探测的应用进行了概述总结,分析了相关研究背景和研究现状,并对相关的研究工作和取得的结果以及近期最新的研究方向给予了综合介绍。从声表面波气体探测的机制出发,系统讨论了声表面波的物理特性和传播性质,详细介绍了气敏膜的选择因素和种类。为充分利用激光技术的优势,结合激光超声应用于固体表面探伤领域成熟的声表面波激光激发技术和激光检测技术,利用激光在固体表面的热弹机制和有限元模型详细讨论了激光激发声表面波的物理过程、解析解模拟计算方法,并分别讨论了利用激光检测声表面波的光学探测方法,为探索新的声表面波气体探测方法提供了理论依据和可行性支持。光纤传感技术的特点扩展了声表面波气体探测的应用范围,基于光通信及光信号处理领域的光纤声光效应调制技术,本文论述了声表面波对光纤调制的基础理论,对声光调制中的衍射布拉格(Bragg)衍射原理和机制进行了讨论,并列述了光纤声光调制探测超声波的实例。为综合利用激光技术与声表面波相关的应用手段和方法,本文最后在传统声表面波气体探测器件的基础上尝试提出了一种利用激光激发声表面波,借助光纤声光调制传感探测声表面波的气体探测系统,并详细分析了系统的设计思路和实验的结构框图,在列举其优点的同时亦充分说明了面临的问题和困难。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-8
图表清单  8-10
1.绪论  10-16
  1.1 声表面波气体探测器件概述  10-12
  1.2 研究背景及应用前景  12-13
  1.3 相关研究现状  13-16
2.声表面波气体探测原理  16-28
  2.1 声表面波的性质概述  16-18
  2.2 声表面波的传播特性  18-22
  2.3 声表面波的质点运动方程  22-24
  2.4 气体探测机制  24-26
  2.5 气敏涂覆膜的选择  26-28
3.激光技术在声表面波气体探测方面的应用  28-53
  3.1 激光超声技术概述  28-29
  3.2 声表面波的激光激发  29-37
    3.2.1 等效力源法  30-33
    3.2.2 有限元法  33-35
    3.2.3 线光源扩展  35-37
  3.3 声表面波的激光检测  37-44
    3.3.1.光偏转法探测  38-40
    3.3.2 Michelson光纤干涉仪探测  40-41
    3.3.3 Mach-Zehnder光纤干涉仪  41-42
    3.3.4 Fizeau光纤干涉仪  42-43
    3.3.5 Sagnac光纤干涉仪  43-44
  3.4 光纤声光调制法探测声表面波  44-53
    3.4.1 声光效应理论基础  45-47
    3.4.2 布拉格(Bragg)衍射  47-49
    3.4.3 声表面波对光纤传感的调制  49-53
4.基于声表面波的光纤气体探测系统的设计  53-67
  4.1 探测系统的设计思路  53-54
  4.2 激光激发模拟分析与讨论  54-59
  4.3 实验的基本架构  59-61
  4.4 光纤声光调制传感  61-65
  4.5 面临的问题和困难  65-67
5.总结  67-68
参考文献  68-72
致谢  72

声表面波气体探测中的激光技术应用研究

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