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基于红外吸收的光纤气体传感研究

随着人们对生活环境质量和生产安全的重视,气体监测、分析仪器或技术得到了飞速的发展。本课题利用具有优良光学性能的掺铒光子晶体光纤作为增益介质,研究了光纤气体传感的传感结构及传感光源对系统传感灵敏度的影响。本文首先根据气体检测的工作原理,归纳了目前常见的气体痕量技术,分析了各种技术的优缺点,指出光学分析法相比其它气体传感技术的优势。阐述了光谱吸收型光纤气体传感设备及方案的优良特性,综述了国内外光纤传感技术的研究现状。从应用角度从发,分析了光纤环形腔激光器应用于气体传感的优势。基于Er~(3+)能级理论,阐述了激光的形成过程。利用激光速率方程导出光纤激光环形腔中反转粒子数及光子数量表达式。基于红外吸收光谱法的传感原理,结合光子数量与吸收强度表达式对提高气体传感灵敏度的方法进行了分析,讨论了激光器的泵浦方式对气体传感系统的影响。最后,分析了常见气体在近红外石英光纤低损耗窗口的吸收光谱。理论和实验分析了宽带激光光源的工作原理及输出特性,指  (本文共63页) 本文目录 | 阅读全文>>

山东大学
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近红外光纤水气传感器的关键技术研究

随着石油化工、深海勘探、航空航天等国家支柱型产业及食品安全、电力传送、大气污染检测等事关国计民生行业的发展,不仅对易燃、易爆、有毒气体传感器的需求越来越多,而且对水气传感器的需求也在逐年增加,使用范围也越来越广泛。作为光纤传感技术的典型代表,光纤气体传感技术因其灵敏度高、精度好,具有大测量范围,响应快,并可以实现长期连续地在线检测等技术优势获得了电力、建筑、交通、石油、化工、医疗、环保等领域的青睐。不仅事关国计民生,利用激光与气体分子的相互作用实现对气体信息(种类、浓度、压强、温度、流速等)的检测和传导也一直是科学领域内最重要的研究内容之一。对于水气而言,其在中红外处的基频吸收谱线具有最强的线吸收强度,但该波长区域内的光源与光电转换材料昂贵、可控性差,不利于产业化的实现。本文的研究过程中所采用的光源为1370 nm的DFB (Distributed Feed Back)半导体激光器,对应波长处水气虽然不具有最强的吸收线,但是此光...  (本文共179页) 本文目录 | 阅读全文>>

天津大学
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基于软件锁相的TDLAS光纤混合式气体传感关键技术研究

近年来,随着科技的进步及经济的快速发展,环境污染问题成为人们日益关注的话题。气体污染作为环境污染的一个重要方面,对工业生产安全及人类的身体健康均构成严重危害。光谱吸收技术的调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术与波长调制/谐波检测技术相结合,以其响应时间短、探测灵敏度高、高稳定性等诸多优点,被广泛应用于有毒有害气体浓度检测。本文基于TDLAS技术,提出软件锁相方法代替硬件锁相,并对软件锁相方法中涉及的数学模型及算法进行理论和实验研究。对系统进行仪器化设计,能够对CO、CO_2和CH4气体浓度、温度和压强进行同时检测,实现了气体传感系统的多气体、多参量混合传感。本文的主要创新性工作如下:1、基于TDLAS气体浓度检测理论,本文提出了软件锁相的TDLAS气体浓度检测系统理论模型,理论分析了调制深度、调制频率、相移和系统噪声对软件锁相得到的二次谐...  (本文共142页) 本文目录 | 阅读全文>>

天津大学
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新型光子晶体光纤气体传感器研究

对甲烷、氨气、乙炔各种等污染气体的检测在工业生产、环境检测等方面有重要意义。光纤光学气体传感技术在这方面有独特优势,例如抗电磁干扰能力强,体积小,易实现分布式传感等。本论文紧紧围绕光子晶体光纤气体传感这一主题,主要研究工作和创新点包括以下几个方面:1)利用全矢量有限元方法计算了空气包层全反射型多孔聚合物THz光纤的单模传输条件和模场的分布情况。指出对于该种波导,单模条件和很好的模场分布不能同时得到满足。最后利用阶跃光纤单模条件和洛伦兹洛伦茨公式,分析了造成这种困难的原因。2)研究了聚偏氟乙烯(PVDF)这种铁电材料在THz波段的折射率变化情况,以及聚偏氟乙烯(PVDF)镀层的空气包层全反射型THz多孔光纤表面类等离子体共振现象。并由此设计了一种气体折射率传感器,研究发现该传感器对气体折射率的传感灵敏度在传输波长为304μm时最高。假设检测仪器可以响应1%的THz波强度变化,该气体传感器的检测分辨率可达到1.45×10-4RIU。...  (本文共122页) 本文目录 | 阅读全文>>

燕山大学
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基于光谱吸收的瓦斯检测技术及实验研究

甲烷易燃易爆,是巷道瓦斯和天然气的主要成分,当其泄漏到环境中时,利用可靠传感器对其进行及时检测对于化工设备、煤气厂、矿山及住宅区具有重要意义。气体光谱是评估气体物质浓度的高选择性、高灵敏度方法。利用近红外谱带和光纤光学器件可实现气体光谱的遥测。井下基于光纤的甲烷遥测方法不会产生任何电信号,与采用电子气体传感器和传输导线的传统方法相比优势明显(全光学,无危险,易校正,不易受扰动气体及电磁干扰等)。从分子光谱与分子结构入手,分析了甲烷分子振动、转动及振转光谱理论。阐述了孤立吸收线的不同展宽机理及其线型函数,为实际测量中吸收线型的选取提供了理论依据。针对波长调制吸收谱分析中的光源频率与幅度调制问题、标准具条纹产生与抑制问题、系统检测能力与信噪比等问题进行了详尽的理论分析,揭示了锁相放大器谐波输出与气体吸收线型及光电探测器输出信号傅里叶分解的关系,给出了一次、二次谐波检测与比值处理技术的相关理论。发展了梳状光源等效吸收系数的理论,设计了...  (本文共153页) 本文目录 | 阅读全文>>

燕山大学
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基于相关光谱法的差分光纤甲烷传感系统设计

近年来,我国煤矿事故频繁发生,且以瓦斯爆炸为主,给矿工的生命和国家财产安全已造成严重威胁。甲烷是瓦斯的主要成分,及时准确地检测甲烷浓度对工矿安全生产和环境监测有着极其重要的意义。光纤气体传感技术是一项正在发展中的高精度测试技术。论文以气体浓度检测为目的,进行基于相关光谱的差分甲烷光纤检测系统的研究。论文的主要工作如下:首先,论述了近红外吸收型光纤气体传感器的国内外研究现状和发展趋势,介绍了光纤气体传感中的基本检测技术。通过对分子光谱理论的分析,给出气体吸收测量的理论基础,为传感器数学模型的建立奠定理论基础。其次,设计了两种简单的单波长差分吸收检测系统,并且详细分析了两种差分吸收系统的优缺点。在对两种差分吸收系统理论推导和参数分析的基础上,进行了改进,利用了相关光谱的优点设计出一种新的基于相关光谱的差分甲烷光纤检测系统。最后,阐述了甲烷检测系统中光源、气室、光电探测器以及光路部分和电信号检测部分的特性及对测量的影响;在现有的实验条...  (本文共75页) 本文目录 | 阅读全文>>