基于光譜吸收機理的光纖式氣體檢測技術的研究.pdf

1、研制及時、準確地對易燃、易爆、有毒有害氣體進行監(jiān)測預報和控制的傳感系統(tǒng)已成為當前煤炭、石油、化工、電力、交通、航空航天及環(huán)境監(jiān)測等領域亟待解決的問題。
　　基于光學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，易于實現(xiàn)遠距離實時遙測和良好的氣體選擇性等特點，被認為是傳統(tǒng)熱催化等氣體傳感器的替代產(chǎn)品，在用于環(huán)境檢測、過程控制，尤其是惡劣環(huán)境下的在線、連續(xù)監(jiān)測時具有獨特的優(yōu)勢，成為當前光纖傳感

2、領域的一個研究熱點。
　　本文研究甲烷、乙炔等氣體的光纖光學檢測技術及系統(tǒng)，并對氣體光譜吸收、微弱光信號的提取與處理、氣體測量靈敏度的提高等技術進行了系統(tǒng)而深入的分析研究，可實現(xiàn)對微含量氣體的檢測分析和氣體含量的在線檢測。
　　論文闡述了氣體差分吸收檢測和諧波檢測原理，建立了兩種檢測原理的數(shù)學模型。設計了兩類光源即分布反饋式半導體激光器(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方案。通過理論分析

3、和實驗驗證了設計方案的可行性，指出了各方案的特點和存在的問題，解決了設計研制樣機的關鍵技術。
　　進行了基于DFBLD光源的氣體諧波檢測技術的研究。通過對DFBLD光源波長的鎖定控制，保證DFBLD的中心波長(取甲烷氣體在紅外波段的本征吸收波長的混頻帶和諧波帶波長1665nm，乙炔氣體的吸收波長1530nm)精確對準檢測氣體的吸收峰，實現(xiàn)了光信號功率譜與甲烷、乙炔氣體吸收線的最佳匹配。進行了DFBLD光源的頻率調(diào)制技術的研究?；?/p>

4、鎖定放大原理，采用提取微弱光譜信號的諧波分量檢測技術和對DFBLD光源進行不同頻率的交流調(diào)制技術，使氣體檢測分辨力達到105×?6級，實現(xiàn)了同一探頭檢測多種氣體。
　　設計了基于光纖布拉格光柵(FBG)濾波的氣體檢測方案，建立了以SLED為寬帶光源的甲烷氣體檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了氣體的差分光譜吸收測量。針對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、測量所需的窄帶光信號，消除了背景吸收干擾和光源強度的不穩(wěn)定性。改變FBG濾波器系統(tǒng)中的光纖光柵組合，可以擴展到對不同氣體或多組份氣體的測量。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的可行性。
　　分析了Ring-down腔對紅外光譜吸收檢測靈敏度的影響。采用透射型氣室與漸變折射率透鏡相結合的方案，形成的光纖傳感氣室可用于高靈敏度微量氣體檢測分析，分析研究了傳感氣室微光學傳感單元的噪聲抑制技

6、術以及光纖耦合、溫度穩(wěn)定、抗震等因素對測量精度和靈敏度的影響。
　　運用小波分析和小波閾值去噪技術對氣體檢測系統(tǒng)的接收信號進行了消噪處理，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量系統(tǒng)，編制出系統(tǒng)的測量和控制軟件，完善了從數(shù)據(jù)采集、信號分析、模型建立到系統(tǒng)標定的整個測量過程。
　　進行了包括特性參數(shù)實驗、光纖鏈路損耗實驗、氣體吸收實驗和示值比對實驗等氣體檢測系統(tǒng)的