基于光譜吸收機(jī)理的光纖式氣體檢測(cè)技術(shù)的研究.pdf

1、研制及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)易燃、易爆、有毒有害氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和控制的傳感系統(tǒng)已成為當(dāng)前煤炭、石油、化工、電力、交通、航空航天及環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域亟待解決的問題。
　　基于光學(xué)原理的光纖氣體傳感器具有傳輸損耗小，傳輸信息容量大，抗電磁干擾，耐腐蝕，絕緣，防燃防爆，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)遙測(cè)和良好的氣體選擇性等特點(diǎn)，被認(rèn)為是傳統(tǒng)熱催化等氣體傳感器的替代產(chǎn)品，在用于環(huán)境檢測(cè)、過程控制，尤其是惡劣環(huán)境下的在線、連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前光纖傳感

2、領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
　　本文研究甲烷、乙炔等氣體的光纖光學(xué)檢測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)，并對(duì)氣體光譜吸收、微弱光信號(hào)的提取與處理、氣體測(cè)量靈敏度的提高等技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的分析研究，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微含量氣體的檢測(cè)分析和氣體含量的在線檢測(cè)。
　　論文闡述了氣體差分吸收檢測(cè)和諧波檢測(cè)原理，建立了兩種檢測(cè)原理的數(shù)學(xué)模型。設(shè)計(jì)了兩類光源即分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFBLD)和超輻射發(fā)光二極管(SLED)的紅外光譜吸收式光纖氣體檢測(cè)方案。通過理論分析

3、和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性，指出了各方案的特點(diǎn)和存在的問題，解決了設(shè)計(jì)研制樣機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。
　　進(jìn)行了基于DFBLD光源的氣體諧波檢測(cè)技術(shù)的研究。通過對(duì)DFBLD光源波長(zhǎng)的鎖定控制，保證DFBLD的中心波長(zhǎng)(取甲烷氣體在紅外波段的本征吸收波長(zhǎng)的混頻帶和諧波帶波長(zhǎng)1665nm，乙炔氣體的吸收波長(zhǎng)1530nm)精確對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)氣體的吸收峰，實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)功率譜與甲烷、乙炔氣體吸收線的最佳匹配。進(jìn)行了DFBLD光源的頻率調(diào)制技術(shù)的研究?；?/p>

4、鎖定放大原理，采用提取微弱光譜信號(hào)的諧波分量檢測(cè)技術(shù)和對(duì)DFBLD光源進(jìn)行不同頻率的交流調(diào)制技術(shù)，使氣體檢測(cè)分辨力達(dá)到105×?6級(jí)，實(shí)現(xiàn)了同一探頭檢測(cè)多種氣體。
　　設(shè)計(jì)了基于光纖布拉格光柵(FBG)濾波的氣體檢測(cè)方案，建立了以SLED為寬帶光源的甲烷氣體檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了氣體的差分光譜吸收測(cè)量。針對(duì)甲烷氣體在紅外波段的另一吸收峰1331nm，選擇SLED的工作帶寬為1330～1340nm。利用FBG優(yōu)良的窄帶濾波特性產(chǎn)生差分吸收

5、測(cè)量所需的窄帶光信號(hào)，消除了背景吸收干擾和光源強(qiáng)度的不穩(wěn)定性。改變FBG濾波器系統(tǒng)中的光纖光柵組合，可以擴(kuò)展到對(duì)不同氣體或多組份氣體的測(cè)量。提取的FBG反射譜和透射譜表明了具有窄帶濾波特性的FBG用于甲烷等氣體差分吸收檢測(cè)的可行性。
　　分析了Ring-down腔對(duì)紅外光譜吸收檢測(cè)靈敏度的影響。采用透射型氣室與漸變折射率透鏡相結(jié)合的方案，形成的光纖傳感氣室可用于高靈敏度微量氣體檢測(cè)分析，分析研究了傳感氣室微光學(xué)傳感單元的噪聲抑制技

6、術(shù)以及光纖耦合、溫度穩(wěn)定、抗震等因素對(duì)測(cè)量精度和靈敏度的影響。
　　運(yùn)用小波分析和小波閾值去噪技術(shù)對(duì)氣體檢測(cè)系統(tǒng)的接收信號(hào)進(jìn)行了消噪處理，利用其能量譜確定出氣體的吸收濃度。
　　研制出基于DFBLD、SLED光源的光譜吸收型光纖氣體測(cè)量系統(tǒng)，編制出系統(tǒng)的測(cè)量和控制軟件，完善了從數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析、模型建立到系統(tǒng)標(biāo)定的整個(gè)測(cè)量過程。
　　進(jìn)行了包括特性參數(shù)實(shí)驗(yàn)、光纖鏈路損耗實(shí)驗(yàn)、氣體吸收實(shí)驗(yàn)和示值比對(duì)實(shí)驗(yàn)等氣體檢測(cè)系統(tǒng)的