基于光谱吸收法的光纤二氧化硫气体传感器的研究

摘要

随着工业化的进程，现代社会对石油、天然气和煤炭等能源的需求量日益增加，与此同时有越来越多的有害气体排放到大气中，环境污染问题日益严重。尤其受到密切关注的大气污染给人类生活和工农业生产带来日益严重的危害。因此，研制一种能够实时监测、具有较高灵敏度和分辨率的气体浓度传感器，使其用于检测有害气体浓度，不仅具有理论意义，更具有服务国民经济，改善人民生活的现实意义。
　　本文在分析各种气体浓度检测方法的主要优缺点的基础上，选择二氧化硫(SO2)作为研究对象，研究一种应用光纤传感器的气体浓度监测仪。首先，本文综述了光纤气体传感器的发展过程和现状，分析了现有的气体检测技术和方法所存在的一些弊端，指出了它们的应用局限性。其次，从分子结构和分子光谱理论出发，讨论了二氧化硫分子的红外光谱结构，介绍了光纤传感检测理论及其相关的技术和方法。采用光谱吸收方法通过光纤传输光信号进行气体浓度的实时遥测。提出基于气体红外吸收的谐波检测技术，尝试了一种新的光纤气体浓度传感方法。这种方法具有选择性高、寿命长、不受环境气体影响，防电磁干扰等优点。文中详细讨论了光纤传感二氧化硫气体浓度检测仪的硬件设计，进行了光路、气室的设计，并详细分析和讨论了光源的驱动及其稳定性、光源的调制、谐波信号的拾取和处理等问题。其重点是优化系统光路和电路的设计、最大限度的抑制噪声，提高检测系统的信噪比。
　　本文最后针对系统进行了试验研究，包括光路损耗实验、光纤传感器检测结果实验，从而验证了该系统的重复性和稳定性较好，能够适应相关的使用环境。同时验证光谱吸收式光纤气体传感器进行气体浓度检测的可行性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1课题的目的与意义

1.2课题主要研究内容

1.3空气污染排放标准

1.4国内外研究现状

1.5光纤传感发展概述

第二章 气体检测方法概述

2.1化学气敏传感器

2.2光谱法

2.3气相色谱分析法

2.4气体光声光谱检测技术

第三章 光纤光谱吸收法气体检测的基本原理

3.1纤维光学的发展过程

3.2光纤传感器

3.3分子结构和分子光谱理论

3.4气体分子的典型吸收线

3.5 吸收式光纤传感器的工作原理

3.6差分吸收技术

第四章 二氧化硫气体浓度的相关谐波检测

4.1谐波的基本概念

4.2谐波检测的基本思想

4.3调制点的选取与谐波检测的稳定性

4.4谐波检测方案

4.5线型估计

4.6激光器的频率调制

4.7关于谐波检测的讨论

第五章 相关检测系统的设计

5.1 系统光路总体结构

5.2光源的选择及性能

5.3光源驱动电路

5.4光导纤维（光纤）

5.5气室设计及其光路耦合

5.6光电探测器选择

5.7信号处理

第六章 系统实验及性能分析

6.1光源输出光谱特性测试

6.2光纤链路损耗实验

6.3二氧化硫吸收实验

6.4传感器的性能

第七章 结束语

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果