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光谱吸收式光纤甲烷气体传感系统的研究

作　者: 刘瑾
导　师: 王玉田；张景超
学　校: 燕山大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 实时甲烷光谱吸收 DFB LD 光源调制谐波检测
分类号: TH83
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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引　用: 23次
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内容摘要

<WP=4>随着工农业的迅速发展，矿井、油田、电力系统安全保护以及环境保护成为越来越值得重视的问题。数以千万计的大型动力工厂和矿业部门排放出大量的易燃、易爆、有毒、有害气体，使人类的生存环境和人身安全受到严重威胁，因此对这些气体进行快速、实时检测对于工矿安全生产及环境保护有特别重要的意义。本文以矿井瓦斯的主要成分甲烷为目标气体，研究基于光谱吸收方法的全光纤气体检测系统。该系统具有灵敏度高，响应速度快，动态范围大，防燃防爆，防电磁干扰，不易中毒等优点，可将传感头放置在人和仪器不易进入的易燃易爆、有毒等恶劣环境中，实现在线遥测，从而达到实时检测甲烷浓度、及时报警，避免瓦斯爆炸事故发生的目的。通过对气体近红外选择性吸收的理论分析，给出了气体吸收测量的理论依据。并确定了甲烷气体的吸收谱线，找出适合普通石英光纤进行较长距离低损耗传输的光谱特性。采用分布反馈式半导体激光器(DFB LD)作为光源，通过光源调制实现气体浓度的谐波检测，利用二次谐波与一次谐波的比值来消除由光源的不稳定等因素所引起的检测误差。建立了谐波检测的数学模型。文中论述了近红外波段激发光源的光强稳定技术； DFB LD和气体吸收峰中心波长精确对准技术；测量信号和参考信号的获取与比值处理技术。对测量系统的光路、气室以及电路进行了设计，给出了以锁相放大器为核心的微弱信号检测电路和微型计算机处理电路。进行了光纤甲烷气体传感系统的实验研究，验证了系统的可行性，并给出了实验结果。

全文目录

中文摘要  4-5
英文摘要  5-10
第1章绪论  10-23
  1．1 引言  10-11
  1．2 气体检测的基本方法  11-16
    1．2．1 化学气敏传感器  11-12
    1．2．2 气相色谱分析方法  12-13
    1．2．3 光谱吸收法  13
    1．2．4 荧光法  13-15
    1．2．5 气体传感器性能比较  15-16
  1．3 光纤气体传感器  16-21
    1．3．1 内作用型光纤气体传感器  18
    1．3．2 外作用型光纤气体传感器  18-19
    1．3．3 吸收式光纤气体传感器的国内外研究现状  19-21
  1．4 课题来源及研究的目的和意义  21-22
    1．4．1 课题来源  21
    1．4．2 研究目的及意义  21-22
  1．5 论文的主要研究内容  22-23
第2章光谱吸收式气体检测原理及方法  23-38
  2．1 引言  23
  2．2 气体分子近红外选择性吸收  23-29
    2．2．1 气体分子的运动形式及其光谱  24-25
    2．2．2 基频、泛频及组合频率光谱  25-26
    2．2．3 甲烷气体吸收谱线的选择  26-28
    2．2．4 气体分子的典型吸收线  28-29
  2．3 光谱吸收式光纤气体检测方法  29-36
    2．3．1 差分吸收检测  31-34
    2．3．2 调制技术  34-36
  2．4 本章小结  36-38
第3章甲烷气体浓度的谐波检测  38-54
  3．1 引言  38
  3．2 气体浓度的谐波检测  38-52
    3．2．1 窄带光源的谐波检测  38-46
    3．2．2 光纤光栅调制LED宽带光源进行谐波检测  46-50
    3．2．3 宽带光源谐波检测及系统设计  50-52
  3．3 谐波检测方案的选择  52-53
    3．3．1 谐波检测的灵敏度限制因素  52
    3．3．2 谐波次数的选取  52
    3．3．3 调制频率的选择  52-53
  3．4 本章小结  53-54
第4章光纤甲烷气体检测系统的设计  54-81
  4．1 引言  54
  4．2 光源的选择  54-58
    4．2．1 发光二极管  54-55
    4．2．2 半导体激光器  55-57
    4．2．3 分布反馈式半导体激光器  57-58
  4．3 气室的设计  58-60
  4．4 光源驱动及正弦发生电路的设计  60-63
    4．4．1 光源驱动电路的设计  60-62
    4．4．2 正弦波发生电路的设计  62-63
  4．5 温控电路的设计  63-64
  4．6 光电探测器的选择  64-66
  4．7 前置放大电路的设计  66-70
  4．8 滤波电路的设计  70-73
    4．8．1 两种有源带通滤波器  70-72
    4．8．2 同步积分滤波电路  72-73
  4．9 锁相放大电路的设计  73-76
  4．10 数据处理系统的设计  76-80
  4．11 本章小结  80-81
第5章光纤甲烷气体传感系统的实验研究  81-89
  5．1 引言  81
  5．2 DFBLD光谱特性测试  81-82
  5．3 光纤链路损耗试验  82-84
  5．4 气体浓度与检测信号关系实验  84-86
  5．5 示值比对实验  86-87
  5．6 重复性实验  87-88
  5．7 稳定度测试实验  88
  5．8 本章小结  88-89
结论  89-90
参考文献  90-95
攻读硕士学位期间所发表的论文  95-96
致谢  96-97
个人简介  97

光谱吸收式光纤甲烷气体传感系统的研究

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