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光纤光学式甲烷气体传感器的设计与实验研究

张景超  
【摘要】:光纤气体传感技术是一项正在发展中的新型测试技术,在工业生产、环境保护和医学等领域具有广阔的应用前景。近十几年来,随着光纤传感技术的发展,光纤气体传感器的研究在国内外均受到广泛的重视。光纤气体传感器以光作为被测量的信号载体,对测量对象不产生影响,其自身独立性好,并适应各种使用环境,由其组成的光纤传感系统便于与计算机连接,可满足多功能、智能化的要求,与光纤遥测技术相配合可实现远距离测量与控制。 瓦斯是发生在煤矿中重大自然灾害的根源之一,瓦斯爆炸严重威胁到煤矿作业人员的生命安全,影响矿井的正常生产。矿井中瓦斯的主要成分是甲烷,有效准确地预测甲烷爆炸的相关信息关系重大。本文提出基于分布反馈式半导体激光器(DFBLD)的波长调制技术、光纤传感技术和微弱信号检测技术,设计了一种新的气体检测传感系统和仪器。实验证明该仪器灵敏度高、重复性和稳定性好。该仪器稍加改进或换上其它附件,即可测量其它多种气体的浓度,在气体浓度测量领域,具有较好的应用前景。 本文的主要研究工作如下: (1)传统的检测方法采用光谱吸收法检测气体浓度,所用的气室有透射型吸收气室、反射型吸收气室和准直型渐变折射率透镜吸收气室。本文将汇聚型渐变折射率透镜即小型渐变折射率透镜应用到实际测量中,并使用光纤作为传输工具。小型渐变折射率透镜能使发散的反射光不再返回原光路,消除部分噪声,提高了信噪比。 (2)气体吸收的谱宽很窄,只占测量光源光强的几千分之一,比光源变化的噪声还要小,因此气体吸收微弱信号的检测十分重要。本文采用Ring-down腔技术于气室,使光按一定路径反复经过气室,增加了光和气体的有效作用距离,增强了有效吸收,提高了测试灵敏度。 (3)目前大部分测量气体浓度所用光源是激光二极管,但因其功率小加之光纤耦合的损耗,测量精度较小,灵敏度也低。本文使用1.65μm分布反馈式半导体激光器作光源并采用波长调制技术,使测量信号稳定,提高了测量精度。 (4)将小波变换技术应用于甲烷吸收光谱附近的几种干扰气体光谱信号的滤波、平滑和去噪处理,处理后的光谱信号前后峰位置、峰高、峰面积几乎均保持不变,实验结果表明,测量结果与理论模拟基本保持一致。


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