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光纤乙炔气体传感器的研究

王杰  
【摘要】: 随着世界经济的发展,环境污染日趋严重,环境保护已经成为各国主要研 究课题。因此,近年来气体浓度检测仪成为各国传感技术领域研究的热点和重 点。本课题就是基于保护环境的目的,利用近红外光谱吸收理论,研究大气污 染监测仪器。它在环境监测、电力系统、油田矿井等场合有着广泛的应用前景。 由于光纤传感器本身具有的优点,使得红外光谱吸收式光纤气体传感器成 为气体浓度检测的主流方向。本文通过对以往研究成果的综合和分析,指出了 造成气体浓度检测灵敏度和精度不高的主要原因,提出了单谱全宽调制技术并 论证了其可行性。在深刻分析乙炔光谱精细吸收谱线线型、位置和线宽的基础 上,利用压电陶瓷的电致伸缩效应,对光纤光栅的中心波长进行调制,选择乙 炔气体在石英光纤低损耗传输区域的最大吸收峰进行单谱线全宽扫描。通过检 测光纤光栅反射谱光强和透射谱光强,并把两者进行比值运算,以消除光源波 动的影响。在微弱信号检测电路设计上,采用锁定放大器提取二次谐波,检测 一次谐波和二次谐波的比值,可以得到气体浓度。 本系统主要的创新点如下:1、提出单谱全宽调制的概念、理论依据和实现 方法;2、首次提出利用光纤光栅的反射谱作为信号通道和透射谱作为参考通道 的光强比值作为检测方法;3、通过分析单谱全宽调制,提出二次谐波检测理论 以及相应的锁定放大技术。 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。 本论文就是给出了这样一个基本的乙炔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。


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