光纤气体传感器的研究

基于气体在吸收峰波长下对光的吸收随浓度变化的机理,研制一种光纤式气全监测仪。根据被测气体的吸收峰对应的波长选择ＬＥＤ作为光源。采用不同频率的光源驱劝电路实现多种气体浓度的产时检测。为保证测量精度,信号处理采用相敏以及测量信号与参考信号比值技术。对甲烷和乙炔气体浓度的检测实验表明,系统具有一定的检测灵敏度和精度。仪器和系统不驻适于甲烷和乙炔气体浓度的检测,稍加改变结构参数,也可测量其它气体的浓度。     

基于煤矿瓦斯浓度的窄带光源谐波检测技术研究

在对煤矿瓦斯气体浓度的检测中,由于噪声、气体的吸收峰很窄、光源波长随温度的漂移等原因将引起测量的不稳定,通过采用对激光器的中心波长和气体吸收峰中心波长对准,测量光经过气体时的损耗就可以检测气体的浓度,利用一次谐波作为误差信号,可将光源精确地锁定在气体吸收峰上,并给出了窄带光源谐波检测的理论依据.实验结果表明,该方法可应用于甲烷气体浓度的光谱测量,它具有高精度、强选择性、快速响应等特点.     

光谱吸收式瓦斯气体传感器及其信号处理方法

基于气体在其特征吸收波长下光的吸收随浓度变化的机理,通过对甲烷气体吸收光谱的分析,建立了谐波检测的数学模型,提出了一种光谱吸收式甲烷气体检测系统。该系统以1 654nm为中心波长的半导体激光二极管(LD)作为光源,并采用波长响应范围为1.0~2.9μm的高灵敏度、低噪声的PbS前置放大光电探测器。通过光源调制实现气体浓度的谐波检测,利用选频放大器对传输信号进行二次谐波检测及噪声滤除,利用一次谐波与二次谐波的比值来消除由光源的不稳定等因素所引起的检测误差。研究表明,灵敏度、精确度和稳定性等性能指标均可满足甲烷气体检测的要求。     

基于专家系统随机逼近的激光传感器的温度补偿研究

在实验测试及分析矿用激光甲烷传感器特性的基础上,针对激光传感器测量气体时对温度敏感的不足,提出一种基于专家系统的随机逼近的激光传感器的温度补偿的方法。首先根据分析实验测试数据推导出测量甲烷浓度与温度影响的关系式,然后根据测试的随机温度建立了专家规则,并设计制作出传感器补偿部分电路,最后对温度补偿效果进行了验证。实验结果表明,在温度随机变化下减少了测试数据的波动,使补偿后测试时间和测量精度都有较大的改善。该方法可对矿井气体检测安全生产具有一定的参考价值。     

基于光纤环衰荡腔的甲烷传感系统

为测量甲烷气体浓度,设计基于光谱吸收原理测量气体浓度的传感系统。该系统利用光纤环衰荡腔代替传统的光学腔,使光源产生的光脉冲信号在光纤环中多次循环吸收,延长了吸收路径,从而大大缩短了气室长度。利用该系统对甲烷气体浓度进行测量,对测量结果的参数进行分析,并通过实验仿真得到甲烷气体浓度与光脉冲信号衰荡时间的关系。结果表明:实验结果与理论相符,证明所设计系统正确可靠。     

用于TDLAS甲烷检测的激光器电流驱动与温控系统

为了满足激光器在甲烷气体检测中对输出波长稳定的需求,自主设计以STM32F103RCT6为微处理器核心的电流驱动系统和温控系统,包括信号发生电路、滤波电路、温度采集与控制电路等,运用信号发生芯片生成锯齿扫频信号、正弦调制信号、直流偏置信号,把他们叠加作为激光器注入电流,同时对激光器整体构建二级制冷系统,通过温度和电流的调谐使激光器发出的波长在甲烷气体吸收峰1 653.72nm附近扫描,以使气体充分吸收。经验证,整个系统工作稳定,可持续工作时间超过36h,温度误差为±0.008℃,电流驱动误差≤0.09mA,波长误差在千分位,满足设计需求。     

基于一次谐波的光谱吸收式甲烷气体传感器设计

甲烷气体检测是工业生产、环境监测和科学研究领域中的一个重要研究课题.该文在基于波长调制技术的光谱吸收式光纤气体检测方法的基础上,分析了一次谐波信号的数学模型,提出了一种基于一次谐波设计的光纤甲烷气体传感器的实施方案,设计精确的电流和温度电路控制垂直腔面发射激光器,利用锁相放大器AD630提取一次谐波信号幅度,实现对不同浓度的甲烷气体进行测量.实验结果表明,一次谐波信号幅度与浓度存在着很好的线性关系,分辨率达到20ppm.该系统消除了光源波动的影响,工作稳定,简化了结构,调试简便.     

自参考式光纤气体传感数据处理方法

气体检测是光纤传感领域的一大研究热点．在强度吸收型气体传感系统中,吸收致光强变化的检测直接影响到气体浓度的解调精度．以内腔吸收式气体传感系统为例,采用自参考式数据处理方法实现气体吸收谱线的自动识别与浓度解调．根据朗伯．比尔（L-B）定律,理论推导了光强检测误差对浓度解调误差的影响．采用自参考式浓度解调算法,提取了乙炔气体的吸光度曲线,并从理论和实验2方面计算了气体吸收峰的吸光度．分别采用自参考式和预参考式解调算法,再结合2种不同的拟合线型,计算了500组实验数据中9条乙炔气体吸收谱线的吸光度．结果表明,采用自参考式解调算法．Lorentzian拟合时解调误差最小且不超过250×10^-6．再结合波长扫描理论,浓度传感的解调精度可得到进一步提升．     

基于STM32的DFB气体激光器驱动电路设计与实验

可调谐半导体激光吸收光谱技术气体痕量检测系统中,激光器驱动电路存在模块体积大、电流纹波大、温度漂移严重、响应速度慢等问题,容易导致激光器波长偏离谱线吸收峰,影响系统测量精度。为解决上述问题,首先设计集高精度恒流源、实时监测电路、电阻-电压变换电路、温度采集电路、MAX1978制冷器控制芯片、数字PID整定算法等于一体的激光驱动器;然后,实验测试激光驱动器对DFB激光器(1 627 nm)电流调谐与温度控制的性能,分析确定DFB激光器波长的电流调谐系数、温度调谐系数以及内部温度误差来源;最后,通过改进B值计算及校正方法,对激光驱动器温度控制误差进行补偿,实现DFB激光器输出波长的精准锁定。实验表明:改善后的激光驱动器较传统激光驱动器的驱动电流绝对误差降低54.5%(±0.005 mA);控制温度绝对误差降低71.4%(±0.01℃);响应时间提高2.98倍(0.067 s/℃);C_2H_4气体检测系统精度提高17%。研究结果为TDLAS气体检测方法的应用提供了可靠的技术支撑。     

基于ZigBee技术的煤矿甲烷红外检测系统的设计

基于气体在中红外波段的选择性吸收原理,分析了甲烷特征吸收谱线,并针对现有煤矿甲烷检测装置存在的不足,提出了基于Z igBee无线通信技术的煤矿甲烷红外检测系统架构.本系统以ARM9 S3C2440微处理器作为硬件开发平台,以嵌入式Linux作为软件开发平台,设计了煤矿甲烷红外检测系统数据采集与传输的硬件及软件开发流程图,实现了检测信号的获取和无线传输.     

基于光纤传感技术的瓦斯抽采管道安全监测系统

应用光谱吸收和光纤光栅技术,研制了基于光纤传感的瓦斯抽采管道安全监测系统。对管道内的甲烷、氧气、温度以及压力等关键参数进行实时在线监测,并根据温度、压力参数对甲烷浓度进行补偿,补偿后系统的精度分别提高了7%和11%。现场实验结果表明,此方法能够实现对瓦斯抽采管道的安全监测。     

基于差分吸收光谱法的烷烃气体检测系统的研制

利用差分吸收光谱（DOAS）技术研制开发了一套烷烃类气体检测实验系统,在该实验系统上测量了CH4的吸收光谱以及吸收截面,并利用这些参数开展了CH4气体浓度反演算法的研究.实验结果表明：在常温常压下,CH4的检测结果与标准浓度之间的线性拟合系数R2为0.9998,误差小于3%,CH4的最低检测限为0.01%.这些工作为烷烃光谱录井仪的研发奠定了基础.     

甲烷气体检测中半导体激光器的温度控制

采用可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）的气体浓度检测系统,其半导体激光器（LD）的输出波长在注入电流恒定的情况下受温度影响很大。高精度的LD温度控制能够保证光源输出光谱的中心波长位于待测气体吸收峰。针对LD温度控制技术的特点,采用两级温度控制的思想,一级保证LD外部工作环境温度稳定在一个小的区间内,另一级是以LD组件热电制冷器（TEC）和热敏电阻（RT）结合模拟的比例—积分（PI）环节来实现温度稳定。实验结果表明,设计的温度控制系统具有良好的稳定性,检测精度可达0.01℃,满足实验的要求。     

基于TDLAS的一氧化碳浓度检测的研究

可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）是利用气体分子的吸收光谱技术,痕量大气中污染气体的成分及浓度的新方法．介绍了TDLAS系统的组成及原理,分析了气体检测中二次谐波信号的检测原理,建立了待测浓度气体的二次谐波信号与标准浓度的二次谐波信号之间的模型,并用实验验证了该模型的准确性．     

基于光谱吸收的CO2气体检测系统

针对CO₂气体实时在线监测的应用需求,以比尔-朗伯定律为理论基础,基于可调谐半导体激光吸收光谱技术搭建一套CO₂气体在线检测系统。选择吸收谱线波长为1 609.583 nm,并在系统中搭建两路参考光路用于消除光源信号波动和实现自动寻峰,以提高检测系统的稳定性与准确性。通过对系统的标定与校准,系统测量相对误差小于0.8%,系统重复性小于0.06%,响应时间不超过18 s,对空气中CO₂的体积分数进行连续4 h监测,其值的波动范围为360×10^-6 ~ 400×10^-6。试验结果表明该系统具有较好的稳定性与可靠性,可满足CO₂气体实时在线监测的应用需求。     

影响实用化实时测温系统测温精度的若干因素

在介绍一种利用钽酸锂热释电探测器实现的实用化双波长光纤测温仪的基础上,着重讨论了反射辐射、探测器本身的辐射与环境温度、光路中选择性吸收气体的光谱吸收及除此之外的其他诸种因素对系统测温精度的影响,并提出了相应的抑制措施.     

气体流量对石英增强型光声光谱检测精度的影响

石英增强型光声光谱(QEPAS)检测技术在痕量气体浓度检测方面具有灵敏度高、可靠性好、系统体积小等优势。以二氧化碳(CO2)为目标气体,深入研究不同气体流量对QEPAS检测系统精度的影响。通过Fluent ANSYS仿真软件对气体流场进行分析,完成对不同流量情况下气室内压强和流速的仿真。通过基于QEPAS的CO2气体检测系统的实验,研究了气室压强对气体浓度检测的影响。实验结果表明通过控制气体流量使得气室内的压强为1.08e-1~1.48e-1 Pa时,检测信号与气体浓度之间线性关系良好,相关系数R=0.99971,系统相对误差为0.5%,系统检测下限为72ppm。     

利用小波变换消除颗粒物Mie散射对DOAS技术的影响

为消除烟气中颗粒物Mie散射对差分吸收光谱(DOAS)法反演气体浓度的影响,提出了多项式结合小波变换的滤波方法.数值研究结果表明:对不同的颗粒物浓度和不同的气体浓度,采用该滤波方法都能够大幅度降低气体浓度的反演误差,且小波变换的层数随颗粒物浓度的增加而增加.实验研究表明:基于该滤波方法的DOAS技术,对0~1377.2mg/m3范围内的SO2气体,其浓度反演误差大都在10%以内,零点漂移由50.96mg/m3降为9.96mg,/m3,提高了DOAS技术的测量精度.