光谱吸收光纤甲烷气体传感系统的研究

针对光纤传感系统中的光路干扰问题以及近红外光谱的特点,设计了包含透射式一体化微光学传感单元和适合甲烷气体检测的锁相放大模块的光谱吸收甲烷传感系统。国内外对光谱吸收式光纤气体传感技术进行了大量研究,发现存在很多问题,本文针对其光路干扰和弱信号检测难的问题进行了改进。     

光纤气体传感器光源温控问题的研究

光谱吸收型光纤气体传感器中,利用气体分子的吸收光谱,采用分布反馈式半导体激光器(DFB LD)作为光源,使光源输出中心波长精确对准气体的吸收峰,从而来检测出气体的浓度.而要使测量准确,光源的温控非常重要.提出了一种光源两级温控的思想:外壳温控和结温控制,并设计了温控电路,温控实验证明了两级温控的有效性.     

基于光纤传感器的甲烷气体浓度信号采集方法

基于光谱吸收法设计了一种反射型光谱吸收光纤传感器网络结构,该结构可以完成对远距离多点甲烷气体浓度的实时测量。为了能够保证光谱扫描波长中心值与甲烷气体吸收峰相同,激光光源通过波长调制光谱完成调制,采用调整三角波的幅值与偏移量对光源波长进行调整。在接收端,为了对光电信号进行有效的采集,设计了一种多点高速信号的采集方法,并分析其调制深度的影响。实验证明,软件采集算法以及合适的调制深度能够满足工程中光纤气体传感器多点采集的精度要求。     

用于光纤传感网的窄线宽多波长光纤光源研究

窄线宽多波长光纤光源是光纤传感系统中的重要光源,可同时为多路复用技术中的传感器阵列提供所需的多个工作波长．为此对多波长光纤光源的稳态输出进行了数值模拟,理论分析了未泵浦掺铒光纤长度对输出线宽的窄化作用．同时实验构建了一种带有单程反馈和线宽窄化机制的多波长光纤光源,测量分析了这2种机制以及激光腔输出耦合比对多波长输出结果的影响．实验实现功率谱不平坦度〈土3dB时,多波长个数可达27个,3dB线宽约0．06nm,波长在50GHz范围内整体连续可调．     

基于PLC的双波长双光路DFB LD瓦斯气体检测技术

针对传统热催化瓦斯检测技术和光纤传感瓦斯检测技术的不足,提出了一种新的瓦斯气体检测方案.根据双波长双光路DFB LD光谱吸收原理,采用Siemens PLC控制技术,设计了瓦斯气体传感器和瓦斯气体检测系统.实验结果表明,该系统拓宽了检测范围,具有精度高、稳定性好、寿命长等特点,并能消除光路干扰和光源输出功率不稳定等因素.     

新一代光纤智能传感网与关键器件基础研究进展

天津大学在973计划项目的资助下,开展了光纤传感技术相关研究.其主要内容包括设计了基于光子晶体光纤的填充银线的PCF-SPR传感器,最佳灵敏度为2 400 nm/RIU;设计了一种基于液芯光子晶体光纤的PBG-PCF温度传感器,传感器的最高分辨率为4×10³ nm/RIU;设计了基于甲苯-氯仿混合溶液填充的光子晶体光纤可调谐热敏光开关,通过改变溶液配比实现不同温度跃变点;构建了基于光微流体理论的3种结构模型,并针对模式场分布及磁场探测展开了研究;构建了基于L波断掺饵光纤放大器的光纤内腔气体传感系统,其绝对误差小于0.04%;针对传感器结构、解调光路、解调算法,设计并优化了F-P传感系统;提出了针对光纤传感网的评估鲁棒性模型,开展了梳状暗调谐光源技术和OFDR技术在光纤传感网检测方面的研究.     

基于OTDR的光纤液体泄漏检测的研究

通过应用光时域反射仪（OTDR)测量多模光纤（MMF）反射光强变化,提出一种检测液体泄漏的光纤传感器,并对其进行理论仿真和实验研究。众所周知,OTDR具有小巧、精密、智能化、便于移动的特点,能有效避免常规光纤传感器设备复杂笨重不可以移动的问题。使用一定溶度的氢氟酸（HF）溶液腐蚀多模光纤作为传感部件,易于设计和制作。当多模光纤的纤芯直径减小到一定程度时,将其暴露在空气或待测液体中。裸露的芯层周围介质折射率的变化,将会影响传感区域内光的模场分布,改变透射光的强度,故该结构可以有效检测环境中液体的泄漏。本文设计制作了两个远距离的光纤传感器。第一个传感器仅带有一个光纤传感结构。连接带有传感结构的长光纤和OTDR。设置OTDR的扫描脉宽30ns、扫描时间3min,光源的脉冲信号强度约为15dB、扫描距离5km。以水为检测对象。首先,将传感结构暴露在空气中,OTDR的反射曲线在检测处的损耗为2.893dB。当检测到水时,OTDR的反射曲线的损耗为0.631dB。因此,检测到水时,光损耗减小,反射光强变大。实验结果和仿真结果一致。第二个传感器是有两个传感结构的分布式复用传感器,将其检测两处的环境情况。两个传感结构都能很灵敏的检测出是否存在水,证明了传感器的复用特性。因此,该液体泄漏检测光纤传感器能够广泛应用于工程实践中。     

宽范围光纤位移传感系统结构设计

研究了提高强度调制光纤位移传感器测量范围的方法,采用可控光源、组合式传感探头及程控测量放大信号处理等措施,提出了一套能有效扩大光纤位移传感器量程的综合方法及系统结构.     

基于表面等离子体共振光纤持气率传感器探头敏感膜理论仿真研究

为了研究光纤表面等离子体共振传感器的传感特性,利用TFCalc软件,仿真研究光纤表面等离子体共振(SPR)传感器的反射光谱特性。分别考查金膜和银膜的敏感膜对反射光谱特性的影响。仿真结果表明,金膜有更高的灵敏度,银膜则有较高的信噪比和检测精度。     

紫外空芯光纤光谱式气体传感系统特性

利用内表面镀铝空芯光纤在紫外-可见光波段的低损耗特性,结合宽光谱光源和光谱仪,搭建了紫外-可见光波段的吸收谱式气体传感系统.理论研究了系统参数对吸光度的影响,对影响系统信噪比的因素进行了优化.实验测量得到了系统光源的发散角色散曲线,研究结果表明在宽谱光源下,为获得准确的损耗或吸收特性,需要根据系统光源发散角的色散特性对测试结果作相应的补偿.在255nm波长带对不同浓度甲苯气体进行了测量,得到了线性的甲苯浓度-吸光度曲线,精确度可达ppm量级.该传感系统搭建方便,测量迅速,对于在线传感监测及多波长测量具有很好的应用前景.     

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.     

油气水三相流产出剖面光纤持气率计的设计与理论研究

采用手工研磨的方法制作双纤锥形结构光纤探头,通过硬件电路实现用于油气水三相流持气率测量的光纤探针传感器的设计。室内实验结果表明,双纤结构的光纤探针持气率计具有光路简单、易于检测、稳定性好等优点。     

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。     

双波长光纤温度传感器的研究

提出了一种满足电力系统高压电器设备在线温度检测需要的双波长光纤温度测量系统。系统以半导体材料的光谱吸收特性作为测温原理，采用光纤和无源器件感受和传递温度信号，具有良好的绝缘性和抗电磁干扰的能力。论述了运用改进双波长补偿方法来全面克服系统中存在的光路扰动、解决光纤温度传感器工作不稳定问题、提高系统的测量精度和稳定性的原理。给出了双波长光纤温度测量系统的实验结果，证明了理论研究的正确性。     

乙炔检测系统的设计

在对乙炔气体分子近红外吸收光谱分析的基础上,采用1．52μm波段的LED作为光源,利用旋转双波长滤光片进行波长切换,从而实现差分吸收检测。应用波长调制技术、Ring—down腔技术,通过光纤传输实现乙炔气体质量浓度检测,检测的灵敏度为40×10^-5mg／m^3。     

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。     

光纤气体传感机理研究

研究了光纤CO2气体的传感机理。根据扰模理论,讨论了光纤纤芯和包层与外界介质之间的能量转换关系,并用CO2作扰动气体,进行光纤CO气体传感实验,得到光纤CO气体传感灵敏度及回归曲线。结果表明,对于不同的扰动程度,光纤传感的灵敏度与扰动有一定的线性关系。用光纤做成的CO2气体传感器结构简单,可应用在许多领域。     

光谱吸收式的气体传感器时分复用系统

在基于可调谐二极管激光器吸收光谱学（TDLAS）技术的多点气体监测系统中,所需的激光器造价昂贵,使用多路气室共用一套光源与光探测器的复用技术可以降低单个测量点的造价.在此利用了一种灵活的新型拓扑结构,解决了传统拓扑结构中由于布局光纤造成的光信号延时而给信号采样带来的麻烦.并且给出了一套数字化的基于TDLAS技术的时分复用检测方案,并将数字正交锁相放大技术应用在时分复用检测系统中的谐波提取,消除了各路检测信号中相位对气体浓度检测的影响,得到更加高效的信号处理方案.基于Matlab的4路时分复用气体检测仿真系统验证了理论方案的可行性.