光谱吸收型光纤气体传感器的研究和设计

论文摘要

随着石油、天然气工业以及煤炭工业的发展,煤矿安全、环境污染等一系列问题正成为人们关注的重点,对煤矿生产、工业生产和日常生活中产生的有害气体进行高灵敏度检测变得十分重要。光谱吸收型光纤气体传感器因具有灵敏度高、响应速度快、分辨力高,抗电磁干扰、适用于易燃易爆的危险场合等优点,倍受国内外学者关注,从而具有重大的研究意义。本课题在Lambert-Beer定律基础上,利用气体在石英光纤透射窗口内的吸收峰,测量由于气体吸收产生的光强衰减,从而反演出气体的浓度。设计了两套可行实验方案,分别解决了目前差分检测和谐波检测中存在的主要技术难题。并分别以CH4和C2H2作为目标气体进行实际测量,取得了良好的实验结果,主要研究内容如下:（1）研究基于红外光谱吸收的光纤气体传感机理。依据气体的吸收特性,研究光源、光探测器、光纤光栅参数的选择及其之间的耦合技术,设计稳定低噪声光学传感气室,并研究气室长度对传感器灵敏度的影响。（2）研究气体检测方法,对目前常用的差分检测和谐波检测方案的原理、存在的技术问题进行了分析和讨论。并在此基础上提出相应解决方案,设计并搭建两种检测系统。（3）搭建新颖可靠的时间双差分传感系统。设计用于气体传感中微弱信号测量的便携式双光路光电检测采集系统,解决了目前差分检测中存在的小信号有效放大和大信号饱和的矛盾;将信号采集单元集成于电路之中,形成一便携式系统,克服了目前光电检测和采集系统体积磐大的问题;采用CH4作为目标气体取得了良好的测量结果。（4）搭建基于FBG和线性滤波器的波长调制检测系统。设计新颖光源调制系统,获得了适合气体检测的窄带扫描光源;降低光源成本的同时,解决了窄带光源相干性高引起的系统附加干涉问题;首次提出利用气体吸收曲线的近似线性部分和线性滤波器边缘滤波特性,解决当前谐波检测技术中存在的窄带光源不稳定以及中心波长不精确锁定影响测量精度的技术难题;首次通过该种技术实现中心波长的跟踪;设计了新颖的微弱信号检测电路;采用C2H2作为目标气体取得了良好的实验结果。（5）系统的实验与结果分析。分析对CH4、C2H2气体的实验和测量数据,并对两种不同实验方案进行比对分析。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 目录
• Table of Contents
• 第1章 绪论
• 1.1 气体传感综述
• 1.2 光纤气体传感
• 1.2.1 光纤气体传感器的特点
• 1.2.2 光纤气体传感器的分类
• 1.3 光谱吸收型光纤气体传感技术
• 1.3.1 光谱吸收型光纤气体传感技术国内外研究现状
• 1.3.2 光谱吸收型光纤气体传感技术存在的问题
• 1.4 课题的目的、意义及主要创新点
• 第2章 光谱吸收型光纤气体传感器的原理及方法研究
• 2.1 气体分子的光谱吸收特性
• 2.1.1 气体分子的典型吸收线
• 2.1.2 光谱吸收法基本原理
• 2.1.3 典型气体吸收谱线
• 2.2 传感气室设计原则及光路耦合技术
• 2.2.1 吸收路径的长度对传感器测量灵敏度的影响
• 2.2.2 光学传感气室的设计及其与光纤的耦合
• 2.2.3 光源、光探测器与光纤的选择和耦合技术
• 2.3 差分与谐波检测方案分析与讨论
• 2.3.1 差分检测方案分析与讨论
• 2.3.2 谐波检测方案分析与讨论
• 2.4 本章小结
• 第3章 时间双差分光纤气体传感系统的设计
• 3.1 时间双差分光纤气体传感系统基本原理和系统构建
• 3.1.1 系统基本原理
• 3.1.2 光电检测采集系统要求
• 3.1.3 本文所用的光电检测采集系统的特点
• 3.1.4 时间双差分光电检测采集系统结构
• 3.2 便携式程控增益双光路光电检测采集系统的设计与实现
• 3.2.1 光电检测
• 3.2.2 50Hz工频同步开关电容窄带陷波器
• 3.2.3 PLL同步时钟生成电路
• 3.2.4 LPF低通抗混叠滤波器
• 3.2.5 24位高精度∑—△模数转换
• 3.2.6 AVR单片机系统
• 3.2.7 uC/OS-II及其在AVR上的移植
• 3.2.8 基于uCOS-II的用户任务编写
• 3.2.9 系统命令
• 3.3 系统实验结果与分析
• 3.3.1 实验条件
• 3.3.2 测量结果分析
• 3.4 传感器的性能分析与技术指标
• 3.5 系统改进方案
• 3.6 本章小节
• 第4章 基于FBG和线性滤波器的检测系统的设计与分析
• 4.1 检测基本原理
• 4.1.1 气体吸收系数调制解调原理
• 4.1.2 线性滤波器调制解调原理
• 4.2 系统结构
• 4.2.1 光源调制
• 4.2.2 光纤光栅波长扫描范围（△λ）,光源输出功率波动以及光栅谱线变化对测量结果影响的消除
• 4.2.3 中心波长偏移的补偿措施和波长偏移跟踪技术
• 4.2.4 信号检测方法
• 4.3 光电检测和信号采集部分
• 4.3.1 检测电路结构及原理
• 4.3.2 光电转换和微弱信号检测技术
• 4.3.3 信号调理电路设计
• 4.3.4 直流信号的提取
• 4.3.5 电路噪声测试
• 4.3.6 数据采集和PC软件
• 4.4 实验结果分析
• 4.4.1 气体浓度的测量
• 4.4.2 △λ及系统波动因子对测量结果的影响的消除
• 4.4.3 中心波长的监测与跟踪
• 4.5 讨论与分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 总结及展望
• 5.1 两种检测方案的性能对比
• 5.1.1 响应时间
• 5.1.2 检出范围
• 5.1.3 传感器的稳定性
• 5.1.4 传感器的重复性
• 5.1.5 传感器的成本
• 5.1.6 传感器的应用前景
• 5.2 课题总结
• 5.3 存在问题
• 参考文献
• 附录
• 致谢