分布式光纤气体传感器系统研制

摘要

在空气污染日益严重的今天，对气体浓度进行实时在线监测对人们的生活环境和生产安全尤为重要。湿式化学法等传统的气体检测方法具有采样时间长、过程复杂、干扰因素多、系统不易更新等缺点，研究一种快速、在线实时气体检测方法对于环境保护、安全生产、国民经济等具有重大意义。本课题在对国内外使用光纤检测气体的方法进行深入研究和分析的基础上，提出使用悬挂芯光纤作为传感光纤，基于气体光谱吸收理论和光时域反射技术的分布式光纤气体传感器，进行理论研究和实验测试，该方案具有灵敏度高、分布式检测、响应速度快、抗干扰能力强、实时在线连续监测等优点。
　　本文首先对气体分子的光谱吸收理论和光时域反射原理（OTDR）进行研究，根据气体对光纤倏逝场光波的吸收作用，提出基于光时域反射技术对气体进行分布式检测的方法。为提高气体检测敏感度，设计了一种中空悬挂芯光纤，建立了悬挂芯光纤传输模型，同时对悬挂芯光纤制作方法以及增敏方法进行了研究。然后对光波导的耦合理论进行了研究，研究中空悬挂芯光纤与普通单模光纤的耦合方法。最后以乙炔为目标气体，设计并制作了分布式光纤气体传感器系统样机，使用分布反馈式半导体激光器（DFB LD）作为光源，雪崩光电二极管（APD）作为探测器，高速光开关作为光强度调制器，对光源驱动、波长锁定、探测器驱动及信号处理、调制器、高速数据采集卡等进行介绍和功能测试。使用Visual C++编写数据采集和处理软件，对分布式光纤气体传感器系统进行了实验测试。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 传统气体检测方法

1.3 光纤气体传感器

1.4 光纤气体传感器的国内外发展现状

1.5 课题目的、意义及主要内容

第2章 分布式光纤气体传感器基本理论

2.1 分布式光纤气体传感器方案设计

2.2 气体光谱吸收理论

2.3 光纤倏逝波场理论

2.4 分布式光纤传感器原理

2.5 本章小结

第3章 悬挂芯传感光纤设计制作与使用

3.1 悬挂芯传感光纤设计

3.2 悬挂芯光纤参数仿真

3.3 悬挂芯光纤的制备方法

3.4 悬挂芯光纤与标准光纤的连接方法

3.5 中空悬挂芯光纤的表面微加工

3.6 本章小结

第4章 分布式光纤气体传感器系统样机研制与测试

4.1 分布式光纤气体传感器系统样机总体描述

4.2 光源选择及波长锁定

4.3 光强度调制

4.4 微弱光电信号检测技术

4.5 高速数据采集卡

4.6 计算机软件开发与系统测试

4.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢