瓦斯气体检测中全光纤梳状滤波器研究

论文摘要

光纤气体传感技术是一门新兴的前沿学科,在工业生产、环境监测和医学等领域有广阔的应用前景。近年来,随着光纤传感技术的发展,光纤气体传感器的研究在国内外均受到广泛重视。光纤气体传感器测量信号的载体是光波,对被测环境干扰小,特别是其传感头不带电、本质防爆的特点,可适用于易燃易爆气体的工业在线检测。本文以瓦斯为目标气体,研究基于近红外光谱吸收方法的全光纤检测系统,该系统可以对瓦斯气体进行实时在线检测。通过分析和比较多种气体浓度检测方法,根据系统的测量要求和应用环境,选择光谱吸收法作为本系统的理论方法。通过对气体近红外选择性吸收的理论分析和瓦斯气体在近红外吸收谱线的研究,考虑到传输光纤的低损耗特性,确定了瓦斯气体的强吸收谱线。以SLED作光源,以光谱吸收法为理论基础,结合多光束干涉相关理论,设计了一种全光纤F-P梳状滤波器,提高了灵敏度,可实现对瓦斯气体的浓度检测。在本课题的研究中,侧重于气体检测理论分析、方案设计和可行性分析。设计了光路、电路,并进行了部分相关实验。通过资料查阅、理论分析和系统模型设计等工作,作者认识到:光纤气体浓度检测,涉及到的理论是多学科的,有着很深的内涵,要设计一个好的气体检测系统,还有很多实际要做的工作。本论文研究并给出了基本的瓦斯气体浓度检测系统的基本模型,为今后高性能光纤气体传感器的研究和研制打下坚实的理论基础和提供积极的参考价值。

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 气体传感器
• 1.3.1 半导体气体传感器
• 1.3.2 电化学式气体传感器
• 1.3.3 红外吸收气体传感器
• 1.3.4 固体电解质气体传感器
• 1.3.5 燃烧式气体传感器
• 1.3.6 MOS 场效应管传感器
• 1.3.7 光波导式气体传感器
• 1.3.8 光纤气体传感器
• 1.4 光纤传感发展概述
• 1.5 研究内容
• 第2章 光纤气体传感原理
• 2.1 引言
• 2.2 吸收式光纤传感器的工作原理
• 2.3 分子结构和分子光谱理论
• 2.3.1 双原子分子的振转模型
• 2.3.2 多原子分子的简正振动
• 2.3.3 气体分子的吸收线型和线宽
• 2.3.4 气体分子吸收谱线的强度分布
• 2.4 本章小结
• 第3章 气体传感系统各部分性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 光源
• 3.2.1 光源的选择
• 3.2.2 光源驱动电路设计
• 3.3 光纤
• 3.3.1 光纤的分类
• 3.3.2 光纤的传输特性
• 3.4 光纤 Fabry-Perot 滤波器原理
• 3.5 本章小结
• 第4章 光纤Fabry-Perot 滤波器
• 4.1 引言
• 4.2 光纤 F-P 腔的制作
• 4.3 封装
• 4.4 本章小结
• 第5章 光纤 F-P 滤波器的实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 SLED 光源输出光谱特性测试
• 5.3 光纤 F-P 滤波器性能指标
• 5.4 系统可行性分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢