基于光纤环形腔衰荡光谱技术的气体浓度测量方法与实验研究

论文摘要

光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的。它具有抗电磁干扰、结构简单等诸多好处,然而它还有一定的不足之处,如灵敏度受到吸收路径长度的限制和光源功率波动的影响,因此研究新型的光纤气体传感器具有十分重要的意义。早期腔衰荡光谱技术是两块高反射镜构成谐振腔来测量待测量的。这一技术的好处是增加了吸收路径长度,但是仍有一定的不足。光纤环形腔衰荡光谱技术是一种新的光纤腔衰荡技术,与高反射率的衰荡腔相比,它模仿了衰荡的概念,利用光纤环作为衰荡腔,来替代由高反射率镜组成的谐振腔,减小对超高反射镜的依赖。有着不受光源波动影响,灵敏度高,结构简单等诸多优点。本文提出将光纤环形腔衰荡光谱技术应用于光纤气体浓度检测中。主要研究内容包括：（1）阐述并分析了气体分子吸收理论和光纤环形腔衰荡光谱吸收检测原理。研究了器件构成,分析并选择衰荡脉冲峰值信号的处理方法等。（2）设计了光纤环形腔衰荡光谱技术用于检测乙炔气体的传感系统,并重点解决了两个关键性问题,一个是耦合器分光比的选取,最终确定为10：90；另一个是衰荡峰值信号的提取方法,这里采用了直线平滑法和多点求平均法。同时,还包括脉冲频率的设定为6.65kHz,占空比3%；吸收气室的长度定为25cm,环形腔长设定为3000米及合理的配气系统等。（3）搭建了光纤乙炔气体检测系统,实现对乙炔气体浓度的测量实验及系统优越性的验证分析等。由实验数据可以算出,气体的分辨力为1000 ppm,灵敏度为0.327μs/ppm,稳定性为1.02%,单点重复性误差为2.37%,系统的最大绝对误差为0.12%,最大相对误差为6.0%。（4）对测量结果进行分析,产生误差的原因包括人员误差,方法误差及测量装置误差等,并提出了改进的方法和措施。Research on Optical Fiber Loop Cavity Ring-down Spectroscopy Gas Concentration Measuring Method and

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略语
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 光谱吸收型光纤气体传感器国内外现状
• 1.3 腔衰荡光谱技术的研究现状
• 1.4 光纤衰荡光谱技术的发展应用
• 1.4.1 FLRDS压力传感器
• 1.4.2 FLRDS折射率传感器
• 1.4.3 FLRDS温度传感器
• 1.4.4 FLRDS生物化学传感器
• 1.5 本文主要内容
• 第2章 光纤环形衰荡腔气体传感系统的理论分析
• 2.1 光谱吸收检测原理
• 2.1.1 气体分子吸收理论
• 2.1.2 光谱吸收检测的基本原理
• 2.2 腔衰荡气体传感系统的测量原理与结构
• 2.2.1 测量原理和结构
• 2.2.2 检测灵敏度
• 2.3 光纤环形腔衰荡传感系统的原理与结构
• 2.3.1 相移衰荡法
• 2.3.2 倏逝波法
• 2.3.3 直接吸收法
• 2.3.4 光纤环形腔衰荡传感系统的结构
• 2.4 信号及数据处理方法
• 2.4.1 信号的平滑处理方法
• 2.4.2 曲线拟合方程的选取
• 2.4.3 衰荡时间评估
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于光纤环形腔衰荡光谱技术的乙炔气体传感系统的设计
• 3.1 乙炔气体传感系统的设计
• 3.2 影响FLRDS测量精度的主要因素
• 3.2.1 输入光部分
• 3.2.2 环形腔部分
• 3.2.3 光电探测器部分
• 3.2.4 示波器部分
• 3.3 实验平台参数需求分析与设备选取
• 3.3.1 光源部分
• 3.3.2 耦合器的选取
• 3.3.3 气室的设计
• 3.3.4 气路的设计
• 3.3.5 环形腔长的选择
• 3.3.6 电光调制器
• 3.4 探测系统
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于光纤环形腔衰荡技术的乙炔气体传感系统的实验研究
• 4.1 气体浓度测试实验
• 4.1.1 损耗分析
• 4.1.2 EDFA固有衰减
• 4.2 乙炔气体浓度检测实验
• 4.2.1 乙炔气体浓度检测实验
• 4.2.2 初步优化
• 4.2.3 寻峰方法的改进
• 4.2.4 光源的波动对系统的影响分析
• 4.2.5 气体浓度与衰荡时间的关系
• 4.3 实验系统性能分析
• 4.3.1 误差评估
• 4.3.2 分辨力
• 4.3.3 灵敏度
• 4.3.4 稳定性
• 4.3.5 重复性
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论及展望
• 5.1 论文主要完成的工作和结论
• 5.2 下一步工作计划及展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表文章