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基于法布里—珀罗腔的光纤气体传感器的研究

作　者: 单胜军
导　师: 王立新
学　校: 武汉理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 光纤气体传感器 光谱吸收 法布里-珀罗腔 半导体光放大器
分类号: TP212.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 179次
引　用: 2次
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内容摘要


光纤气体传感技术是一项正在发展中的新型高新技术,在工业生产、环境监测和医学等领域具有广阔的应用前景。近些年来,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为测量信号的载体,对被测对象不产生影响,其自身独立性好,可适应各种使用环境,由其组成的光纤传感系统便于与中心计算机连接,可实现多功能、智能化的要求,可与光纤遥测技术相配合实现远距离测量与控制。本文研究的对象是光谱吸收型光纤气体传感器。每一种气体都有固有的吸收谱,当光源的发射光波长与气体的吸收光波长相吻合时,就会发生共振吸收,其吸收强度与该气体的浓度有关,通过测量光的吸收强度就可测量气体的浓度。本文对光谱吸收型光纤气体传感器在国内外的研究现状进行了较为全面的分析,比较了各种方法的优点、应用范围及局限性,并致力于在此基础上设计新的实验方案以提高现有气体传感器的测量精度和适用性。在分析了气体的吸收光谱,结合当前市场上已有的发光光源的基础上,设计出两套基于可调法布里一珀罗腔的光纤气体传感器。第一套系统采用的是宽带LED光源,因其经法布里—珀罗腔后输出功率较小而降低了测量精度;第二套系统采用的是基于半导体光放大器(SOA)的可调谐激光器做光源,有效的增加了光源的输出功率,提高了信噪比;由于都是基于法布里—珀罗腔且两套系统的光源的波长范围都很大,所以可以用于检测多种气体。依据两种方案进行实验研究,以检测乙炔气体为例,完整描绘出乙炔气体的浓度检测曲线。通过各种算法的实验结果的对比,找出了每套系统中最适合的算法。对这两套实验系统进行比较可知,基于SOA的光源系统测量精度高与基于LED光源的系统,但稳定性相对差一些。本课题所做的工作,为以后高性能光纤气体传感器的研究打下了一定的基础,提供了积极的参考价值。

全文目录


中文摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第1章 绪论  8-17
  1.1 引言  8-9
  1.2 气体检测技术的基本方法  9-10
  1.3 光纤气体传感器的种类  10-14
  1.4 光谱吸收型光纤气体传感器的研究现状  14-15
  1.5 本课题的背景及意义  15-17
第2章 光谱吸收型光纤气体传感器的原理  17-22
  2.1 气体光谱吸收基本原理  17-18
  2.2 调制技术  18-20
  2.3 实验系统的锯齿波波长调制原理  20-22
第3章 基于FABRY-PEROT腔的光纤气体传感器的主要硬件结构  22-38
  3.1 光源的选择  22-27
    3.1.1 白炽光源  22
    3.1.2 气体激光器  22-23
    3.1.3 固体激光器  23
    3.1.4 半导体光源  23-26
    3.1.5 系统光源的确定  26
    3.1.6 光源恒温部分的设计  26-27
  3.2 两种实验系统结构对比  27-28
  3.3 法布里--珀罗腔  28-32
    3.3.1 F—P腔的基本结构  28-31
    3.3.2 电路调试  31
    3.3.3 实验中所用的F—P腔  31-32
  3.4 光纤布拉格光栅  32-33
  3.5 数据采集器  33-35
  3.6 半导体光放大器(SOA)的原理与应用  35-38
    3.6.1 半导体光放大器的工作原理  35-36
    3.6.2 基于半导体光放大器的可调谐激光器  36-38
第4章 系统实验与分析  38-59
  4.1 用HITRAN数据库确定所测气体的吸收峰  38-39
  4.2 傅立叶变换  39-40
  4.3 基于LED宽带光源的气体检测系统的实验及结果  40-51
    4.3.1 实验的程序流程  40-42
    4.3.2 实验结果  42-47
    4.3.3 高、低浓度乙炔气体同一波段吸收峰的变化  47-49
    4.3.4 用不同波段吸收峰测不同浓度气体的实验结果  49-51
  4.4 基于可调谐激光器光源的系统的实验及结果  51-56
    4.4.1 基于可调谐激光器光源的系统的特点  51-52
    4.4.2 实验数据及分析  52-56
  4.5 影响实验的因素及改进  56-59
    4.5.1 所充气体的浓度的不确定性  56
    4.5.2 抽取气体的量的不准确性  56
    4.5.3 环境的变化  56-57
    4.5.4 系统的不稳定性  57-59
第5章 总结与展望  59-62
参考文献  62-65
附:作者在攻读硕士期间已发表论文  65-66
致谢  66

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器 > 物理传感器 > 光传感器
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