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光纖光學式甲烷氣體傳感器的設(shè)計與實驗研究

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時間:2024-08-18 16:58:37
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光纖光學式甲烷氣體傳感器的設(shè)計與實驗研究【摘要】:光纖氣體傳感技術(shù)是一項正在發(fā)展中的新型測試技術(shù),在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護和醫(yī)學等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。近十幾年來,隨著光纖傳感技術(shù)的

【摘要】:光纖氣體傳感技術(shù)是一項正在發(fā)展中的新型測試技術(shù),在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護和醫(yī)學等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。近十幾年來,隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展,光纖氣體傳感器的研究在國內(nèi)外均受到廣泛的重視。光纖氣體傳感器以光作為被測量的信號載體,對測量對象不產(chǎn)生影響,其自身獨立性好,并適應各種使用環(huán)境,由其組成的光纖傳感系統(tǒng)便于與計算機連接,可滿足多功能、智能化的要求,與光纖遙測技術(shù)相配合可實現(xiàn)遠距離測量與控制。 瓦斯是發(fā)生在煤礦中重大自然災害的根源之一,瓦斯爆炸嚴重威脅到煤礦作業(yè)人員的生命安全,影響礦井的正常生產(chǎn)。礦井中瓦斯的主要成分是甲烷,有效準確地預測甲烷爆炸的相關(guān)信息關(guān)系重大。本文提出基于分布反饋式半導體激光器(DFBLD)的波長調(diào)制技術(shù)、光纖傳感技術(shù)和微弱信號檢測技術(shù),設(shè)計了一種新的氣體檢測傳感系統(tǒng)和儀器。實驗證明該儀器靈敏度高、重復性和穩(wěn)定性好。該儀器稍加改進或換上其它附件,即可測量其它多種氣體的濃度,在氣體濃度測量領(lǐng)域,具有較好的應用前景。 本文的主要研究工作如下: (1)傳統(tǒng)的檢測方法采用光譜吸收法檢測氣體濃度,所用的氣室有透射型吸收氣室、反射型吸收氣室和準直型漸變折射率透鏡吸收氣室。本文將匯聚型漸變折射率透鏡即小型漸變折射率透鏡應用到實際測量中,并使用光纖作為傳輸工具。小型漸變折射率透鏡能使發(fā)散的反射光不再返回原光路,消除部分噪聲,提高了信噪比。 (2)氣體吸收的譜寬很窄,只占測量光源光強的幾千分之一,比光源變化的噪聲還要小,因此氣體吸收微弱信號的檢測十分重要。本文采用Ring-down腔技術(shù)于氣室,使光按一定路徑反復經(jīng)過氣室,增加了光和氣體的有效作用距離,增強了有效吸收,提高了測試靈敏度。 (3)目前大部分測量氣體濃度所用光源是激光二極管,但因其功率小加之光纖耦合的損耗,測量精度較小,靈敏度也低。本文使用1.65μm分布反饋式半導體激光器作光源并采用波長調(diào)制技術(shù),使測量信號穩(wěn)定,提高了測量精度。 (4)將小波變換技術(shù)應用于甲烷吸收光譜附近的幾種干擾氣體光譜信號的濾波、平滑和去噪處理,處理后的光譜信號前后峰位置、峰高、峰面積幾乎均保持不變,實驗結(jié)果表明,測量結(jié)果與理論模擬基本保持一致。 【關(guān)鍵詞】:甲烷 光纖氣體傳感器 小型漸變折射率透鏡 Ring-down腔 分布反饋式半導體激光器 波長調(diào)制
【學位授予單位】:燕山大學
【學位級別】:博士
【學位授予年份】:2006
【分類號】:TP212
【目錄】:
  • 摘要5-7
  • Abstract7-15
  • 第1章 緒論15-35
  • 1.1 引言15-17
  • 1.2 課題研究的目的和意義17-18
  • 1.3 氣體傳感技術(shù)分析18-24
  • 1.3.1 氣體傳感技術(shù)的種類18-23
  • 1.3.2 氣體傳感技術(shù)的現(xiàn)狀和存在的問題23-24
  • 1.4 光纖氣體傳感器24-33
  • 1.4.1 光纖氣體傳感器的分類25-29
  • 1.4.2 吸收式光纖氣體傳感器的研究現(xiàn)狀29-33
  • 1.5 課題來源33
  • 1.6 論文的主要研究內(nèi)容33-35
  • 第2章 光纖氣體傳感機理35-58
  • 2.1 引言35
  • 2.2 氣體分子光譜理論35-44
  • 2.2.1 雙原子分子的躍遷能級結(jié)構(gòu)35-39
  • 2.2.2 多原子分子的躍遷能級結(jié)構(gòu)39
  • 2.2.3 氣體分子的吸收線型和線寬39-42
  • 2.2.4 氣體分子吸收譜線的強度分布42-44
  • 2.3 差分吸收檢測44-48
  • 2.3.1 寬帶光源LED 差分吸收檢測45-46
  • 2.3.2 窄帶光源的差分吸收檢測46-48
  • 2.4 調(diào)制技術(shù)48-54
  • 2.5 多點光纖氣體傳感網(wǎng)絡54-57
  • 2.5.1 光纖無源傳感網(wǎng)絡55
  • 2.5.2 光纖氣體傳感復用技術(shù)55-57
  • 2.6 本章小結(jié)57-58
  • 第3章 氣體傳感系統(tǒng)各部分性能分析58-85
  • 3.1 引言58
  • 3.2 檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)58
  • 3.3 光纖氣體傳感用光源58-62
  • 3.3.1 白熾光源59
  • 3.3.2 氣體激光器59-60
  • 3.3.3 半導體激光器60-62
  • 3.4 敏感元件(吸收氣室)結(jié)構(gòu)62-65
  • 3.4.1 氣室結(jié)構(gòu)62-63
  • 3.4.2 Ring-down 腔技術(shù)63-65
  • 3.5 光探測器的特性65-69
  • 3.5.1 半導體光電探測器66
  • 3.5.2 光探測器的特性參數(shù)66-68
  • 3.5.3 光探測器等效電路68-69
  • 3.6 光纖連接耦合69-70
  • 3.6.1 光纖與光纖的連接69
  • 3.6.2 光纖與光源和探測器的耦合69-70
  • 3.6.3 光纖與氣室的耦合70
  • 3.7 光纖的損耗特性70-71
  • 3.8 DFB LD 控制單元71-72
  • 3.9 調(diào)制信號單元72
  • 3.10 光路單元72-74
  • 3.11 檢測單元74-80
  • 3.11.1 光電探測器74
  • 3.11.2 前置放大電路設(shè)計74-76
  • 3.11.3 濾波電路設(shè)計76-79
  • 3.11.4 鎖相放大器79-80
  • 3.12 光電信號變換與檢測技術(shù)80-84
  • 3.12.1 光電信號的相關(guān)檢測81-83
  • 3.12.2 光電信號的鎖相放大電路83-84
  • 3.13 本章小結(jié)84-85
  • 第4章 基于小波去噪的光纖甲烷氣體檢測系統(tǒng)的信號處理85-96
  • 4.1 引言85
  • 4.2 小波去噪85-92
  • 4.2.1 小波變換去噪原理86-87
  • 4.2.2 甲烷吸收光譜的小波去噪87-92
  • 4.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計92-95
  • 4.4 本章小結(jié)95-96
  • 第5章 光纖甲烷氣體傳感器的實驗研究96-112
  • 5.1 引言96
  • 5.2 實驗樣機96
  • 5.3 DFB LD 的特性測試96-98
  • 5.3.1 DFB LD 的輸出波長隨溫度的變化96-97
  • 5.3.2 DFB LD 輸出波長隨注入電流的變化97-98
  • 5.3.3 DFB LD 輸出功率隨注入電流的變化98
  • 5.4 WMS 技術(shù)用于甲烷濃度的檢測實驗98-104
  • 5.4.1 甲烷濃度檢測98-99
  • 5.4.2 系統(tǒng)工作條件的確定99
  • 5.4.3 無甲烷吸收和自然條件下甲烷吸收的一次諧波輸出信號99-102
  • 5.4.4 甲烷吸收的二次諧波檢測信號102-103
  • 5.4.5 二次諧波輸出信號最大幅值和甲烷濃度的關(guān)系103-104
  • 5.5 光纖鏈路損耗實驗104-105
  • 5.6 系統(tǒng)的靈敏度、分辨率和信噪比105-108
  • 5.7 系統(tǒng)的標定實驗108-111
  • 5.7.1 示值比對實驗108
  • 5.7.2 交叉靈敏度實驗108-109
  • 5.7.3 重復性實驗109-110
  • 5.7.4 穩(wěn)定度測定實驗110-111
  • 5.8 本章小結(jié)111-112
  • 結(jié)論112-114
  • 參考文獻114-121
  • 攻讀博士學位期間承擔的科研任務與主要成果121-122
  • 致謝122-123
  • 作者簡介123


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超臨界干燥對La_(0.8)Sr_(0.2)FeMn_(1.5)Al_(9.5)O_(19-δ)六鋁酸鹽性能的影響    張涯遠;蔣政;張世超;朱慶山;

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Ca調(diào)變的Co/Al_2O_3催化劑上甲烷部分氧化制合成氣    高曉曉;黃傳敬;張諾偉;翁維正;萬惠霖;

Ni-Co-La-O催化劑上CH_4化學氣相沉積法制備多壁碳納米管    陳龍;王健康;解啟慧;王曉來;

Ni/ZrO_2催化劑上甲烷部分氧化制合成氣的研究    宋月芹;賀德華;

兩相UASB反應器處理木薯淀粉廢水的啟動運行特性研究    冼萍;潘正現(xiàn);鐘莉瑩;

檸檬酸法制備Ce_(1-x)Mn_xO_(2-a)固溶體催化劑甲烷催化燃燒的研究    劉長春;於俊杰;陶炎鑫;蔣政;郝鄭平;

35億年前微生物就能造甲烷    記者  陳超

日本利用海藻進行甲烷發(fā)電和廢熱供暖系統(tǒng)實驗    新洲

歐美發(fā)現(xiàn)目前火星生命重要證據(jù)    王俊鳴

“卡西尼”在土衛(wèi)六上看見“疑似湖泊”    記者 陳勇

南工大開發(fā)高效菌種讓糞便轉(zhuǎn)化成甲烷    解悅

有雨有河,士衛(wèi)六酷似地球40億年前    記者 楊駿

北極甲烷面臨解凍危險    呂靜 王平才

深海甲烷遇暖破冰升空污染大氣    辛 力

甲烷:氣候變化的引爆器    本報記者 黃永明

地幔中可產(chǎn)生甲烷    記者 曹麗君

光纖光學式甲烷氣體傳感器的設(shè)計與實驗研究    張景超

甲烷潔凈高效轉(zhuǎn)化途徑的研究    丁永杰

Ni、NiH~+、NiO和MgO等活化甲烷的理論研究    楊華清

組合多相催化技術(shù)及其在甲烷與小分子化合物耦合反應中的應用    王華

甲烷低溫燃燒反應分子篩負載Pd催化劑    史春開

焦爐煤氣中氫氣和甲烷的吸附分離    劉艷娜

甲烷經(jīng)溴氧化途徑制備高碳烴催化性能及工藝研究    劉振

擔載型分子篩催化劑上CH_4選擇還原NO反應的研究    任麗麗

甲烷選擇性催化還原氮氧化物的基礎(chǔ)研究    張惠

甲烷在常壓和高壓下溶解度的測定與計算    夏淑倩

CH_4-CO_2低溫轉(zhuǎn)化合成含氧有機物的研究    王曉紅

甲烷在甲醇和烴類混合溶劑中高壓溶解度的研究    郭玉高

光纖甲烷傳感器技術(shù)研究    韋云波

改性尿素對農(nóng)田溫室氣體排放的影響    荊瑞勇

納米銅錫氧化物的制備及催化性能的表征    賈超

天然氣(CH_4)催化燃燒催化劑的研究    閆智慧

金屬負載的HZSM-5上甲烷和丙烷無氧芳構(gòu)化反應研究    宣東

折流板反應器厭氧處理住宅小區(qū)生活污水試驗性研究    黎展毅

甲烷泄漏檢測及擴散研究    師春元

甲烷制燃料電池氫源催化劑的設(shè)計改進    尹瀟