大气监测光纤气体传感器的研究

论文摘要

论文对国内外用于大气监测领域的光学监测方法的研究进行了深入分析和阐述，光谱吸收分析仍然是一种主要方法，存在的主要问题是监测装置的吸收池长期可靠性不高。为改善吸收池的长期可靠性，提出了基于直角棱镜和角反射镜构造传感器吸收池的方法。对此结构吸收池的工作原理和探测光束的传输规律进行了深入分析和讨论，建立了基于直角棱镜和角反射镜的吸收池的测量方程。以频谱分析的方法和系统理论，设计了传感器中的光电信号处理电路，采用相关检测方法抑制背景噪声的影响。提出了一种大气监测光纤气体传感器灵敏度的自动设定方法。重点研究了这种传感器对大气消光系数测定、能见度测量及甲烷气体浓度测量的应用，建立了以不同灵敏度、分时测定大气消光系数的新方法，可适当放宽对吸收池表面污脏限制的要求。把基于直角棱镜的气体传感器用于室内气体甲醛浓度的检测中，提高了检测灵敏度，可减少空气采样时间、提高工作效率。分析了实时监测中，由于环境因素导致的热形变对传感器性能影响的机理；提出了抑制热形变影响的措施和一种自动准直方法。 结果表明，基于直角棱镜和角反射镜构造的光纤气体传感器灵敏度调节简单方便，抗环境干扰能力强，其长期可靠性高，能适应实时监测系统的应用。角反射镜构造的吸收池稳定性优于直角棱镜结构，灵敏度调节范围稍小于直角棱镜结构。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 本论文的主要研究工作
• 2 光纤传感器基本原理
• 2.1 光纤传感器原理及分类
• 2.2 光纤的结构和分类
• 2.2.1 光纤的一般结构
• 2.2.2 光纤的分类
• 2.3 光在光纤中的传播
• 2.3.1 光在阶跃折射率光纤中的传播
• 2.3.2 光在渐变折射率光中的传播
• 2.4 光纤的传输特性
• 2.4.1 光纤的损耗特性
• 2.4.2 光纤的色散特性
• 2.5 光纤传感器中的光源
• 2.5.1 光源的一般特性
• 2.5.2 典型光源
• 2.6 光纤传感器中的探测器
• 2.6.1 半导体光电探测器
• 2.6.2 光电倍增管
• 2.7 光纤传感器中的信号检测技术
• 2.7.1 光波信号的直接检测
• 2.7.2 光波信号的外差检测
• 2.7.3 光电信号的相关检测
• 2.8 小结
• 3 光纤气体传感技术
• 3.1 光辐射在大气中的传输
• 3.1.1 大气分子吸收
• 3.1.2 大气粒子散射
• 3.2 光纤气体传感器吸收池的结构与设计
• 3.2.1 光纤气体传感器吸收池的结构与特性分析
• 3.2.2 基于直角棱镜吸收池的结构与输出方程
• 3.2.3 基于角反射镜吸收池的结构与输出方程
• 3.3 吸收池的灵敏度分析
• 3.3.1 单波长测量灵敏度
• 3.3.2 差分测量灵敏度
• 3.3.3 导数光谱分析的灵敏度
• 3.4 光吸收池特性测量
• 3.4.1 吸收池灵敏度测试
• 3.4.2 吸收池稳定性观测
• 3.5 小结
• 4 光学系统的结构及考虑
• 4.1 光源系统
• 4.2 光栅光谱仪
• 4.3 斩波器
• 4.4 输入光准直器
• 4.5 吸收池组成
• 4.6 光纤传光性能的要求
• 4.7 大气监测实验装置结构与工作过程
• 4.8 小结
• 5 光电信号处理系统的设计
• 5.1 光电信号处理原理
• 5.2 主要器件的选择和功能电路的设计
• 5.2.1 光电探测器的选择
• 5.2.2 前置放大器的设计
• 5.2.3 带通滤波器的设计
• 5.2.4 同步积分器的设计及有效值直流转换器的选择
• 5.2.5 数据采集系统
• 5.2.6 斩波器转速稳定电路
• 5.3 小结
• 6 光纤气体传感器灵敏度的自动设定
• 6.1 问题的提出
• 6.2 系统灵敏度的自动设定结构原理
• 6.3 系统灵敏度自动设定的实现
• 6.4 结果与讨论
• 6.5 小结
• 7 光纤气体传感器的应用
• 7.1 地表大气消光系数ε的测量及应用
• 7.1.1 消光系数的测量原理
• 7.1.2 能见度的测量
• 7.2 甲烷气体浓度测量实验研究
• 7.2.1 测量装置与元件选择
• 7.2.2 数据处理与结果分析
• 7.3 室内空气甲醛气体含量的快速测量
• 7.3.1 测量原理与装置
• 7.3.2 试剂制备与采样
• 7.3.3 传感系统的标定
• 7.4 小结
• 8 光纤气体传感器中热形变误差的抑制
• 8.1 直角棱镜安放基板的形变分析
• 8.2 光束自准直技术及电路设计
• 8.3 小结
• 9 全文总结
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 科研和获奖情况
• 致谢
• 参考文献