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乙烯是石油化工的基本原料之一,也是石油化工产业的核心,乙烯的化学性质活跃,属于易燃易爆气体,检测空气及设备中的乙烯浓度是保证安全的必要条件。
光纤传感器与传统的传感器相比,具有突出的优点:灵敏度高;抗电磁干扰;传输损耗低,测量范围宽,精度高;寿命长,工作稳定。正是这些优点大大促进了光纤传感技术的发展。
本文以乙烯气体为研究目标,设计了一种光纤气体传感系统,基本理论是谐波检测技术、光谱吸收式光纤传感技术及labview,检测乙烯气体浓度的基本原理是朗伯-比尔定律,但出射光强度较微弱,本文选择了长光程吸收,DFB LD(分布反馈半导体激光器Distributed Feedback Laser Diode)做光源,采用谐波检测及锁相放大器检测微弱信号。
本论文完成的主要工作是
1.阐述了光谱吸收测量气体浓度的基本原理,从理论上分析了谐波检测的原理及实现方法
2.确定了乙烯的吸收区间及吸收峰,并选择吸收峰波长1626nm作为吸收点,这是确定光源的前提。
3.选择了谱线窄、稳定性好的DFB LD作为系统的光源,并用激光控制器完成对光源的波长调制及温度控制,使光源的发光波长位于1626nm,与气体吸收峰相匹配,提高了光源的稳定性和精确度。
4.吸收气室采用长光程吸收(Write池)来增加光程,使气体在Write室内多次反射经过气体,加强了气体的吸收光程,提高了测量的灵敏度。
5.设计了测量乙烯浓度的整体系统,并对系统的各个部分和工作过程作了基本介绍。
6.采用锁相放大器SR830检测微弱信号,详细介绍了锁相放大器的原理及构造。
7.论文初步介绍了Labview软件的特点,在信号处理中用labview虚拟仪器,经图形化编程,对数据进行采集及处理。
8.本文还对激光器的性能进行了测试,得出了半导体激光器输出波长与温度的关系,输出波长与驱动电流的关系。
9.通过实验得出了乙烯浓度与测量信号的关系。画出实验曲线,推导了计算浓度的函数关系。
该系统的优点是灵敏度高,稳定性好,可以在高温、有毒有害等恶劣的环境中应用,并可加以改进测量其它气体的浓度,具有广阔的应用前景及发展空间。