基于光谱吸收光纤甲烷气体传感系统的研究

【摘要】： 气体传感技术是当今传感器技术领域研究的一个重要前沿课题。以半导体激光器或发光二极管作为光源的气体传感技术在灵敏度、选择性、动态范围、信噪比和响应时间等方面比传统方法具有诸多优点。特别是运用光纤技术而构成的光纤传感器因传感头与检测电路和信号处理电路实现完全的电隔离，使系统安全可靠。光纤通信技术的发展使相对低价、工作于常温、高质量的近红外激光和发光二极管可广泛获得，这些发光光源的发射波长与光纤的三个低损耗窗口相一致，也与许多环境和工业气体的泛频或复合吸收谱线相一致。因此光纤气体传感器可在人和仪器不易进入的高温、有毒有害等危险环境进行远距离遥测遥控，实现在线检测。 本文以甲烷(CH4)气体为测量目标气体，详细研究了基于红外吸收的全光纤传感的理论和实验方法，为气体的全光纤在线检测提供完善的数学模型和设计系统。主要研究内容如下： (1) 应用分子光谱理论和实验数据给出了甲烷气体在联合带v2+v3和泛频带2v3的精细参数，包括吸收线的中心波长、吸收线间隔、吸收线强度分布、吸收线线型和线宽，为系统设计选择合适波长提供依据，消除交叉敏感。 (2) 依据朗伯－比尔（Lambert-beer）定律和光学信息处理技术，给出了两种常用半导体光源LED和DFB LD与红外吸收线作用后，光谱分量强度与气体浓度关系的解析表达式。 (3) 由于气体近红外吸收系数很小，直接应用光吸收检测时，信号中不仅有光路干扰，还有很大部分与浓度无关，信号难以放大，检测灵敏度受到限制，因此要减小和消除检测信号中与浓度无关的成分。 (4) 差分吸收检测和波长调制谐波检测是气体光吸收检测的两种基本方法。谐波检测根据光源不同，系统设计有较大不同，但都是基于导数光谱特性以及气体吸收线型偶对称特性（或F-P腔多纵模谱线的对称性），利用基波信号作为反馈信号可以精确锁定光源中心波长与气体吸收线的中心位置。 (5) 给出了系统详细的以锁相放大器为核心的微弱信号检测电路和微型计算机控制电路。 (6) 进行了光纤甲烷测量系统的实验研究，包括LED光谱特性，透射光强度与甲烷气体浓度的关系以及标定结果等。 【关键词】：光纤传感 红外吸收 甲烷气体 差分吸收检测 谐波检测
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2003
【分类号】：TP212
【目录】：

• 中文摘要7-8
• 英文摘要8-10
• 第1章 绪论10-25
• 1．1 引言10-11
• 1．2 气体检测技术的发展概况11-15
• 1．2．1 气相色谱法12-13
• 1．2．2 光谱法13-15
• 1．3 气体传感技术的现状和存在的问题15-16
• 1．4 光纤气体传感器16-23
• 1．4．1 光纤气体传感器的分类18-21
• 1．4．2 吸收式光纤气体传感器的研究现状21-23
• 1．5 课题研究的目的和意义23-24
• 1．6 课题来源及主要内容24-25
• 第2章 吸收型光纤气体传感机理及特性分析25-45
• 2．1 引言25
• 2．2 气体分子光谱理论25-32
• 2．2．1 气体分子的振转能级结构理论26-28
• 2．2．2 气体分子的吸收线型和线宽28-30
• 2．2．3 气体分子吸收谱线的强度分布30-32
• 2．3 光纤气体传感用光源32-35
• 2．3．1 发光二极管LED32-33
• 2．3．2 半导体激光器33-35
• 2．4 光探测器件35-38
• 2．4．1 关于PN和PIN光探测器的工作原理35
• 2．4．2 光探测器的特性参数35-37
• 2．4．3 光探测器等效电路37-38
• 2．5 光纤的传输特性38-39
• 2．5．1 光纤的损耗特性38
• 2．5．2 光纤的色散特性38-39
• 2．6 光纤与传感器件的耦合39-40
• 2．6．1 光纤与光源和探测器的耦合39-40
• 2．6．2 光纤与气室的耦合40
• 2．7 光电信号变换与检测技术40-44
• 2．7．1 光电信号的相关检测41-43
• 2．7．2 光电信号的锁相放大电路43-44
• 2．8 本章小结44-45
• 第3章 系统总体结构设计及其建模45-63
• 3．1 引言45
• 3．2 差分吸收检测45-50
• 3．2．1 差分吸收检测原理45-47
• 3．2．2 窄带光源的差分吸收检测47-48
• 3．2．3 宽带光源LED差分吸收检测48-50
• 3．3 光源频率调制和谐波检测50-62
• 3．3．1 窄带光源谐波检测及系统设计51-56
• 3．3．2 宽带光源谐波检测及系统设计56-60
• 3．3．3 谐波检测分析60-62
• 3．4 本章小结62-63
• 第4章 基于LED的甲烷气体检测系统设计63-84
• 4．1 引言63
• 4．2 甲烷气体吸收谱线及光源的确定63-64
• 4．3 系统设计64-67
• 4．3．1 光源驱动系统的设计64-66
• 4．3．2 光纤链路与气室设计66-67
• 4．4 气体吸收的微弱信号检测电路设计67-78
• 4．4．1 前置放大电路设计67-71
• 4．4．2 前置放大器的噪声分析71-72
• 4．4．3 滤波电路设计72-75
• 4．4．4 锁相放大电路75-78
• 4．5 滤光片切换系统78-79
• 4．6 单片机数据处理系统79-83
• 4．6．1 硬件电路设计80-81
• 4．6．2 软件设计81-83
• 4．7 本章小结83-84
• 第5章 光纤甲烷气体检测系统的总体实验84-95
• 5．1 引言84
• 5．2 关于LED光源光谱特性测试84-85
• 5．3 关于LED光纤链路损耗及交叉灵敏度实验85-86
• 5．4 光源驱动和锁相放大电路调试实验86-87
• 5．5 甲烷气体吸收实验87-88
• 5．6 整体系统标定实验88-91
• 5．6．1 示值比对实验89
• 5．6．2 交叉灵敏度实验89-90
• 5．6．3 重复性实验90-91
• 5．6．4 稳定度测定实验91
• 5．7 系统的灵敏度分析91-94
• 5．7．1 光电检测引起的噪声91-92
• 5．7．2 电流－电压转换器的输出信噪比92-93
• 5．7．3 锁相放大器对信噪比的改善93-94
• 5．8 本章小结94-95
• 结论95-97
• 参考文献97-104
• 攻读博士学位期间所发表的论文104-105
• 致谢105-106
• 个人简历106

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