瓦斯气体检测中微型F-P梳状滤波器研究

论文摘要

矿用瓦斯气体传感器的安全检测具有十分重要的现实意义。本文的主要任务是对检测甲烷气体过程中所应用的微型F-P梳状滤波器进行研究与设计,实现高灵敏度在线测量,从而达到实时监测运行的目的。光纤气体传感器由于它的一系列独特的技术优越性而受到广泛应用。本文在综述光纤气体传感器的发展过程和现状的基础上,分析了现有的光纤气体传感技术的原理和方法,指出它们的优点与应用局限性,并阐述了F-P梳状滤波器原理及制作工艺,并设计了一种以镀膜K9玻璃为基片,结合带尾纤的光纤准直器制成的一种微型F-P梳状滤波器,通过这种方法可实现对瓦斯气体浓度检测灵敏度的提高。同时,全文在分析了甲烷气体的近红外吸收谱线的基础上,利用中心波长1650 nm,宽带30 nm的SLED光源和光纤、以及传感气室构造了低浓度气体吸收检测系统。文中进行了光路、气室的设计,并详细地分析和讨论了F-P梳状滤波器的设计与制作问题,其重点是讨论了以K9玻璃为基片的F-P梳状滤波器的损耗与该滤波器的光谱分析及误差分析。通过理论计算与实验获得数据进行比对,得到良好实验结果,最后得出实验结论及本实验的改进方案,从而验证了微型F-P梳状滤波器在瓦斯气体浓度监测中应用的可行性。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 传感器的分类
• 1.3.1 半导体气体传感器
• 1.3.2 固体电解质气体传感器
• 1.3.3 光波导式气体传感器
• 1.3.4 红外吸收气体传感器
• 1.3.5 MOS 场效应管传感器
• 1.3.6 光纤气体传感器
• 1.4 吸收式光纤气体传感器的研究现状
• 1.5 课题主要研究内容
• 第2章 光谱吸收式传感器检测原理及方法
• 2.1 引言
• 2.2 气体分子近红外选择吸收
• 2.2.1 气体分子的运动形式及其光谱
• 2.2.2 基频、泛频及组合频率光谱
• 2.2.3 甲烷气体吸收谱线的选择
• 2.3 光谱吸收式光纤气体传感器的类型与特点
• 2.3.1 单波长吸收比较型
• 2.3.2 差分吸收型
• 2.3.3 窄带谱线吸收检测
• 2.4 本章小结
• 第3章 微型 F-P 梳状滤波器及光学镀膜原理
• 3.1 引言
• 3.2 平行平板多光束干涉
• 3.2.1 多光束干涉的强度分布
• 3.2.2 干涉图样的特点
• 3.3 Fabry-Perot 干涉仪
• 3.3.1 Fabry-Perot 干涉仪的结构及原理
• 3.3.2 干涉仪的性能参数
• 3.4 光的色散
• 3.4.1 正常色散
• 3.4.2 反常色散
• 3.5 光学镀膜原理
• 3.5.1 膜系普遍的等效定理
• 3.5.2 全介质高反射膜
• 3.6 本章小结
• 第4章 瓦斯气体传感监测系统的简要设计
• 4.1 引言
• 4.2 光源简介
• 4.2.1 白炽光源
• 4.2.2 固体激光器
• 4.2.3 气体激光器
• 4.2.4 半导体激光器
• 4.2.5 系统光源的确定
• 4.3 吸收气室结构
• 4.4 光纤简介
• 4.4.1 光纤的分类
• 4.4.2 光纤损耗特性与色散特性
• 4.5 系统设计
• 4.6 光纤准直器
• 4.7 本章小结
• 第5章 微型 F-P 梳状滤波器实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 基座制作工艺
• 5.3 光纤准直器端面检测
• 5.4 K9 玻璃基片镀膜
• 5.5 以BK7 玻璃为基片的F-P 梳状滤波器实验
• 5.6 以K9 玻璃为基片的F-P 梳状滤波器实验
• 5.6.1 K9 玻璃性质及其实验参数的确定
• 5.6.2 F-P 梳状滤波器实验
• 5.7 实验数据对比及误差分析
• 5.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢