基于倏逝波场的光纤瓦斯气体传感器的研究

基于倏逝波场的光纤瓦斯气体传感器的研究

论文摘要

近年来,随着光纤传感技术的快速发展,光纤气体传感器的研究在国内外受到了广泛的重视。光纤气体传感技术是一项正在发展的新型技术,在环境监测和工业生产等领域有着广阔的应用前景。光纤气体传感器较其他技术优势明显,它以光波为测量信号的载体,对被测环境干扰小,可适应各种环境。当前,我国煤矿安全事件频发,瓦斯灾害是其中重要引发因素之一,它已成为制约煤矿安全生产的主要矛盾。在煤矿开采过程中,瓦斯事故,特别是重大、特大瓦斯事故在煤矿事故中占的比例逐年升高,给我们国家造成了严重的经济损失和人员伤亡,而且这方面的安全隐患仍呈逐步上升趋势。因此,有效准确地预测瓦斯爆炸的相关信息对于整个中国煤炭行业的安全生成关系重大,光纤气体传感技术正是有效解决这一问题的技术途径之一。本文通过分析和比较多种气体浓度的检测方法,提出了一种基于倏逝波场的光纤瓦斯气体传感器的研究。实验设计了一种新型气体传感系统,自发研制了本系统的传感部分,微光学传感单元。掌握了该部分的制作工艺和气室中传感头的研制方法。光源发出的光经过准直器变成平行光,直接耦合到纤芯直径为800μm的多模光纤(两根多模光纤的端面抛磨成45并平行对齐),当光波传输到45的光纤端面时就会发生全反射。根据全反射时存在倏逝波场的相关理论,将两根光纤端面距离调成波长量级,通过光波强度的变化就可检测出倏逝波场中气体浓度的变化。根据实验室现有的实验条件和仪器设备,本人对所设计的系统进行了实验研究,结果证明该传感系统灵敏度较高,重复性及稳定性较好,有效地验证了系统的可行性。通过实验证明,该实验系统可有效检测多种气体的浓度,在气体浓度测量领域具有较好的应用前景。

论文目录

  • 中文摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题的目的和意义
  • 1.2 光纤气体传感器的发展与现状
  • 1.2.1 气体传感的研究过程与现状
  • 1.2.2 光纤气体传感技术和研究方法分类
  • 1.2.3 光纤气体传感器的特性
  • 1.3 本章小结
  • 第2章 光纤瓦斯气体的传感原理及系统的总体设计
  • 2.1 引言
  • 2.2 倏逝波的基础理论
  • 2.2.1 全反射
  • 2.2.2 倏逝波
  • 2.2.3 倏逝波的穿透深度
  • 2.2.4 倏逝波的应用
  • 2.3 基于倏逝波场的光纤瓦斯气体传感的基本原理
  • 2.3.1 气体浓度和折射率的关系
  • 2.3.2 瓦斯气体传感的基本原理
  • 2.3.3 穿透深度z 值的确定
  • 2.4 系统的总体设计
  • 2.5 本章小结
  • 第3章 光纤传感头的研制
  • 3.1 光纤传感头的研制方法
  • 3.2 光纤传感头性能的研究
  • 3.3 本章小结
  • 第4章 瓦斯气体传感器系统设计
  • 4.1 光源的选择
  • 4.1.1 白炽光源
  • 4.1.2 气体激光器
  • 4.1.3 固体激光器
  • 4.1.4 半导体光源
  • 4.1.5 系统光源的确定及光源的驱动设计
  • 4.2 光纤
  • 4.2.1 光纤的分类
  • 4.2.2 光纤的传输特性
  • 4.2.3 光纤的耦合
  • 4.2.4 系统光纤的选择
  • 4.3 微光学传感单元
  • 4.3.1 光纤准直器
  • 4.3.2 传感单元的结构设计
  • 4.4 气体浓度的标定
  • 4.5 本章小结
  • 第5章 系统测试数据处理和误差分析
  • 5.1 激光器光谱特性测试
  • 5.2 光纤及微光学传感单元的损耗测试
  • 5.3 瓦斯气体浓度实验及数据对比分析
  • 5.4 系统的灵敏度
  • 5.5 系统误差的来源
  • 5.5.1 光源波长漂移引起的误差
  • 5.5.2 功率计读数精度的限制引起的误差
  • 5.6 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 致谢
  • 相关论文文献

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