用LED作光源的光纤甲烷气体传感器及其检测系统的研究

【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。 本文以甲烷为目标气体,研究基于近红外光谱吸收方法的全光纤检测系统,该系统可以对甲烷气体进行实时在线检测。 通过分析和比较多种气体浓度检测方法,根据系统的测量要求和应用环境,选择光谱吸收法作为本系统的理论方法。通过对气体近红外选择性吸收的理论分析和甲烷气体在近红外吸收谱线的研究,考虑到传输光纤的低损耗特性,确定了甲烷气体的强吸收谱线。以LED作光源,以宽带光源差分吸收法为理论基础,结合以锁相放大器为核心的微弱信号检测电路和计算机控制电路,实现对甲烷气体的浓度检测。 根据实验室现有的实验条件和仪器设备,对所设计系统的进行实验研究,包括系统灵敏度和分辨率及整个系统的标定实验,实验结果验证了系统的可行性。 【关键词】：甲烷 差分吸收法 近红外吸收光谱 弱信号检测 实时在线检测
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-26
• 1.1 引言10-11
• 1.2 气体传感器概述11-16
• 1.2.1 半导体气体传感器11-12
• 1.2.2 电化学式气体传感器12
• 1.2.3 红外吸收气体传感器12
• 1.2.4 固体电解质气体传感器12
• 1.2.5 燃烧式气体传感器12-13
• 1.2.6 MOS 场效应管传感器13
• 1.2.7 光波导式气体传感器13
• 1.2.8 光纤气体传感器13-14
• 1.2.9 各种气体传感器性能比较14-16
• 1.3 光纤气体传感器的分类16-20
• 1.4 吸收式光纤气体传感器的研究现状20-24
• 1.5 课题研究的目的和意义24-25
• 1.6 课题来源及主要研究内容25-26
• 1.6.1 课题来源25
• 1.6.2 课题研究内容25-26
• 第2章 光谱吸收式光纤气体传感原理26-45
• 2.1 引言26
• 2.2 气体分子的近红外谱区的选择吸收理论26-28
• 2.2.1 分子振动的基频、倍频与合频26-27
• 2.2.2 分子振动的能级27-28
• 2.3 光纤气体传感用光源28-33
• 2.3.1 白炽光源28-29
• 2.3.2 气体激光器29
• 2.3.3 固体激光器29-30
• 2.3.4 半导体光源30-33
• 2.3.5 系统光源的确定33
• 2.4 光纤传输特性33-36
• 2.4.1 光纤的损耗特性34-35
• 2.4.2 光纤的色散特性35-36
• 2.5 敏感元件(吸收气室)结构36-38
• 2.6 光探测器件38-39
• 2.7 光纤连接耦合39-41
• 2.7.1 光纤与光纤的连接39
• 2.7.2 光纤与光源和探测器的耦合39-40
• 2.7.3 光纤与气室的耦合40-41
• 2.8 微弱信号检测41-44
• 2.8.1 光电信号的相关检测41-43
• 2.8.2 光电信号的锁相放大电路43-44
• 2.9 本章小结44-45
• 第3章 气体传感系统设计45-56
• 3.1 引言45
• 3.2 光谱吸收法测量气体的基本原理45-46
• 3.3 差分吸收检测46-50
• 3.3.1 宽带光源LED 差分吸收检测47-49
• 3.3.2 窄带光源的差分吸收检测49-50
• 3.4 谐波检测50-54
• 3.4.1 窄带光源谐波检测50-54
• 3.4.2 宽带光源谐波检测54
• 3.5 系统检测方案的确定54-55
• 3.6 本章小结55-56
• 第4章 用LED 做光源的光纤甲烷气体传感检测系统设计56-76
• 4.1 引言56
• 4.2 甲烷气体强吸收谱线的选择及光源的确定56-57
• 4.3 系统设计57-61
• 4.3.1 光源驱动系统设计58-60
• 4.3.2 光纤链路与气室设计60-61
• 4.4 气体吸收的微弱信号检测电路设计61-71
• 4.4.1 前置放大电路设计61-65
• 4.4.2 滤波电路设计65-68
• 4.4.3 锁相放大电路设计68-71
• 4.5 滤光片切换系统71-72
• 4.6 单片机系统数据处理系统72-75
• 4.6.1 硬件电路设计72-75
• 4.6.2 软件设计75
• 4.7 本章小结75-76
• 第5章 光纤甲烷气体检测系统性能及实验研究76-86
• 5.1 引言76
• 5.2 系统所需的主要元器件参数76-78
• 5.2.1 LED 的光学特性76
• 5.2.2 其他主要元件特性参数76-78
• 5.3 光纤链路损耗实验78-79
• 5.4 系统的灵敏度和分辨率79-80
• 5.5 甲烷气体吸收实验80-82
• 5.6 整体系统的标定实验82-85
• 5.6.1 示值比对实验83
• 5.6.2 交叉灵敏度实验83-84
• 5.6.3 重复性实验84-85
• 5.6.4 稳定度测定实验85
• 5.7 本章小结85-86
• 结论86-88
• 参考文献88-94
• 攻读硕士学位期间所发表的论文94-95
• 致谢95-96
• 作者简介96

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