基于可调谐半导体激光器的水蒸气检测系统

摘要

检测水蒸气浓度在很多领域都有很重要的意义。天然气中水的存在会引起管线水堵，造成管线冰堵，腐蚀管线、设备和仪表，影响天然气计量的准确度，给天然气的安全生产和使用造成极大危害。变压器油中含水量愈多，油质本身的老化、设备绝缘老化及金属部件的腐蚀速度愈快，监测油中水分的含量十分必要。在高压开关等电气设备中，SF6会与水发生化学反应，造成设备绝缘性能下降，而且还会对环境造成污染。因此，对SF6中水蒸气含量进行准确及时的在线监测非常重要。
　　 本论文利用光谱扫描法对水蒸气光谱及浓度进行了研究，此方法不仅克服了传统监测水蒸气浓度方法中得诸多缺点，并且还具有光纤传感系统固有的安全、响应速度快、灵敏度高等优点。本文首先在理论上对水蒸气的吸收光谱进行了深入的研究和分析。在此基础上选择激光光源、探测器、准直器等器件，进行了系统光路、电路以及气室等的设计。最后，通过实验对水蒸气的吸收光谱进行了验证，为水蒸气检测提供了良好的技术基础。
　　 本文的主要工作和创新点如下:
　　 1.概述了在各个领域检测水蒸气含量的重要性;归纳总结了现行的水蒸气检测方法，分析了其存在的问题;调研了国内外水蒸气检测的研究现状，提出了本课题的研究意义及应用价值。
　　 2.对水蒸气的吸收理论进行了深入的研究和分析。在不同的压强下，水蒸气吸收谱线应该选择不同的吸收线型，本文给出了对应于水蒸气各种线型（洛伦兹线型、高斯线型及佛克托线型）的压强适用范围;基于此结论，对气压P≥(l)atm时的水蒸气吸收进行了具体的研究分析。提出了三种不同的气体浓度标定方法，并进行了理论仿真和实验验证。
　　 3.提出了监测系统方案。选择DFB半导体激光器、透射式准直器等器件，完成了系统电路、光路和气室的设计等。光源部分:使用MCU输出三角波驱动激光器工作，采用调谐激光器温度来控制激光器的输出波长;探测部分:将透射式准直器嵌入合金气室作为探测信号的单元;信号处理部分:进行了放大滤波等的硬件信号处理电路和多次滑动平均的数据处理方法来处理实验数据。
　　 4.利用上述系统，做了一系列的实验，对气体吸收理论进行了实验验证，探索了不同压强下，水蒸气的吸收光谱。为水蒸气检测奠定了很好的基础。