红外光谱吸收型光纤一氧化碳传感器的研究

摘要

一氧化碳(CO)是一种有毒的可燃可爆性气体，它给工业安全生产带来巨大危害。为了实现对CO的检测，装设可燃气体检测器，及时发现事故隐患、尽早采取补救措施是非常必要的。采用红外技术检测CO不但克服了以往检测方法的不足，而且还具有选择性好、连续分析、响应速度快等优点，更能适用于矿井气体的检测环境，因此将红外技术应用于矿井CO的检测具有重要的意义和良好的应用前景。 本论文利用气体近红外光谱吸收原理，设计了一种光纤气体传感器。以一氧化碳为目标气体，确定了气体的吸收谱线，找出了适合普通石英光纤进行较长距离低损耗传输的光谱特性。采用分布反馈式半导体激光器(DFB LD)做光源，通过光源调制实现气体浓度的谐波检测。利用二次谐波与一次谐波的比值来消除由光源不稳定等因素所引起的误差。 本论文所做的主要工作包括： 1.光谱吸收式光纤气体传感器检测原理的研究。分析了正弦波和三角波调制的谐波检测方法，并对两种方法进行了比较。同时简要介绍了光源调制技术。 2.确定CO气体的吸收峰，并在选择好波长和测量方法的基础上，选择DFBLD作为光源，InGaAs PIN光电二极管作为探测器。 3.在理论分析的基础上，设计出基于DFB LD光源的光纤气体传感器系统。在电路设计上采用锁相放大器来获取微弱信号，最大程度的抑制噪声，提高系统的信噪比。 4.以CO为目标气体，初步得到气体浓度的检测曲线，验证了检测方法，为后续研究提供了参考数据。 5.DFB LD光源的外壳温度和内核温度的控制非常重要，这将直接影响光源的输出中心波长。改进了温控模块的设计。

目录

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第一章绪论

1.1引言

1.2气体检测的基本方法

1.2.1气相色谱法

1.2.2光谱法

1.2.3半导体气体传感器

1.3气体传感技术现状及存在问题

1.4光纤气体传感器

1.4.1光纤气体传感器的基本类型

1.4.2吸收型光纤气体传感器的国内外研究现状

1.5课题的目的、意义及主要研究内容

第二章光纤气体传感器基本原理及方法研究

2.1气体光谱吸收原理

2.2 CO吸收区间分析

2.3基于DFB LD光源的光纤气体传感器

2.4吸收路径长度对传感器测量灵敏度的影响

2.5温度对检测系统的影响

2.6气体浓度谐波检测原理

2.6.1正弦波驱动原理分析

2.6.2三角波调制原理分析

2.6.3两种调制性能的比较

2.7光源调制技术

2.7.1强度调制

2.7.2吸收系数调制

2.8本章小结

第三章光纤CO传感器检测系统

3.1系统构成原理图

3.2系统硬件设计

3.2.1光纤气体传感用光源

3.2.2光源的选择

3.2.3光电探测器件的选择

3.2.4光源驱动电路

3.2.5光源温控电路

3.2.6气室

3.2.7光电转换和前置放大电路

3.2.8带通滤波电路

3.2.9锁相放大电路

3.2.9信号处理系统

3.3系统软件设计

3.4系统抗干扰设计

3.4.1硬件抗干扰措施

3.4.2软件抗干扰措施

3.5本章小结

第四章系统实验及性能研究

4.1光源光谱实验

4.2气体浓度与检测信号关系实验

4.3重复性实验

4.4系统稳定度实验

4.5系统响应时间实验

4.6本章小结

第五章总结及展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参与的项目及发表的论文