基于光谱吸收机理的光纤式气体检测技术的研究

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1、工学博士学位论文基于光谱吸收机理的光纤式气体检测技术的研究王书涛哈尔滨工业大学2006年12月哈尔滨工业大学博士学位论文国内图书分类号:TH821TP391.4国际图书分类号:621.2.08681.39工学博士学位论文基于光谱吸收机理的光纤式气体检测技术的研究博士研究生：王书涛导师：车仁生教授申请学位：工学博士学科、专业：仪器科学与技术所在单位：自动化测试与控制系答辩日期：2006年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH821TP391.4U.D.C.:681.2.08681.39Dissertat

2、ionfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONOPTICALFIBREGASDETECTINGTECHNOLOGIESBASEDONSPECTRUMABSORPTIONMECHANISMCandidate：Supervisor：Prof.CheRenshengAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpecialty：InstrumentationScienceandTechnologyAffiliation:Dept.ofAutomati

3、onMeasurementandControlDateofDefence：December,2006Degree-Conferring-InstitutioHarbinInstituteofTechnology摘要摘要研制及时、准确地对易燃、易爆、有毒有害气体进行监测预报和控制的传感系统已成为当前煤炭、石油、化工、电力、交通、航空航天及环境监测等领域亟待解决的问题。基于光学原理的光纤气体传感器具有传输损耗小，传输信息容量大，抗电磁干扰，耐腐蚀，绝缘，防燃防爆，易于实现远距离实时遥测和良好的气体选择性等特点，被认为是传统热催化等气体传

4、感器的替代产品，在用于环境检测、过程控制，尤其是恶劣环境下的在线、连续监测时具有独特的优势，成为当前光纤传感领域的一个研究热点。本文研究甲烷、乙炔等气体的光纤光学检测技术及系统，并对气体光谱吸收、微弱光信号的提取与处理、气体测量灵敏度的提高等技术进行了系统而深入的分析研究，可实现对微含量气体的检测分析和气体含量的在线检测。论文阐述了气体差分吸收检测和谐波检测原理，建立了两种检测原理的数学模型。设计了两类光源即分布反馈式半导体激光器(DFBLD)和超辐射发光二极管(SLED)的红外光谱吸收式光纤气体检测方案。通过理论分析和实验验证了设

5、计方案的可行性，指出了各方案的特点和存在的问题，解决了设计研制样机的关键技术。进行了基于DFBLD光源的气体谐波检测技术的研究。通过对DFBLD光源波长的锁定控制，保证DFBLD的中心波长(取甲烷气体在红外波段的本征吸收波长的混频带和谐波带波长1665nm，乙炔气体的吸收波长1530nm)精确对准检测气体的吸收峰，实现了光信号功率谱与甲烷、乙炔气体吸收线的最佳匹配。进行了DFBLD光源的频率调制技术的研究。基于锁定放大原理，采用提取微弱光谱信号的谐波分量检测技术和对DFBLD光源进行不6同频率的交流调制技术，使气体检测分辨力达到5

6、10级，实现了同一探头检测多种气体。设计了基于光纤布拉格光栅(FBG)滤波的气体检测方案，建立了以SLED为宽带光源的甲烷气体检测系统，实现了气体的差分光谱吸收测量。针对甲烷气体在红外波段的另一吸收峰1331nm，选择SLED的工作带宽为1330~1340nm。利用FBG优良的窄带滤波特性产生差分吸收测量所需的窄带光信号，消除了背景吸收干扰和光源强度的不稳定性。改变FBG滤波器系统中的光纤光栅组合，可以扩展到对不同气体或多组份气体的测量。提取的FBG反射谱和哈尔滨工业大学博士学位论文透射谱表明了具有窄带滤波特性的FBG用于甲烷等气

7、体差分吸收检测的可行性。分析了Ring-down腔对红外光谱吸收检测灵敏度的影响。采用透射型气室与渐变折射率透镜相结合的方案，形成的光纤传感气室可用于高灵敏度微量气体检测分析，分析研究了传感气室微光学传感单元的噪声抑制技术以及光纤耦合、温度稳定、抗震等因素对测量精度和灵敏度的影响。运用小波分析和小波阈值去噪技术对气体检测系统的接收信号进行了消噪处理，利用其能量谱确定出气体的吸收浓度。研制出基于DFBLD、SLED光源的光谱吸收型光纤气体测量系统，编制出系统的测量和控制软件，完善了从数据采集、信号分析、模型建立到系统标定的整个测量过程

8、。进行了包括特性参数实验、光纤链路损耗实验、气体吸收实验和示值比对实验等气体检测系统的总体实验。实验结果表明，所设计的光谱吸收式光纤气体传感系统，能有效地检测被测气体的浓度参数，验证了光谱吸收式光纤气体传感检测系统设计方案的可行性。关