光纤气体传感器的研究

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近几年,随着硫化氢(H2S)气体在生产生活中泄漏事件的频发,关于它是否安全的问题渐渐被人们关注,因此对其检测系统的研制提出了更为紧迫的要求,更需要检测设备具备在线即时、迅速、高效率、高灵敏度及低检测限的能力。现在使用的传统非光学式H2S气体的检测设备,尽管能够满足检测限低的要求,可这种方法响应速度相对较慢,还存在与其它气体成分的交叉敏感,而且无法实现较高的可重复利用。而由于光纤体小质轻,易弯曲,抗电磁干扰、抗辐射性能好等特点,其用作该方面的研究最近几年也越来越得到研究学者的重视。本课题的光纤气体传感器采用近红外光谱吸收技术类型,采用DFBLD (分布反馈式半导体激光器)光源,分析研究气体的近红外光谱选择吸收理论和Lambert-Beer定律,对H2S气体的检测选用谐波检测技术。选用H2S气体的一条中心吸收谱线是孤立的转动吸收线(u1 +u2 +u3),选用波长在1.578μm处,它的谱线吸收强度S大约为22 1.3 10 ( cm molecule)×;在常温常压下,通过分析计算H2S气体吸收谱理论可以知道:其在中心波长1.578μm处的吸收系数约为1.5×10-2 -1 -1 cm×atm,H2S气体的吸收线型可以选择Lorentz或Voigt线型,谱线的展宽机制主要是碰撞加宽。本文对硫化氢气体吸收型光纤检测选用正弦信号调制DFBLD作为光源,用锁相放大技术检测由气体浓度引起的谐波信号。一次谐波作为误差反馈信号,将光源的波长精确的锁定在气体的吸收峰上,二次谐波信号用于检测气体浓度,利用二次谐波和一次谐波的比值来消除由于光源的不稳定和变化等所引发的检测误差,提高了检测系统的可靠性。由于光纤传感中被测量的是微弱信号,有很多不利条件影响其测量精度,因此在制作生产实用系统前,最好能进行系统仿真实验,寻找不同参数变化对测量精度的影响。本文对设计系统进行气体吸收的仿真,对实际应用系统的开发有一定的参考意义。若要满足生活生产中对H2S气体检测的各种需要,可将光电技术中微弱信号检测和光纤技术结合。而且,若想实现多种气体的分布式检测,还可以结合可调谐激光光源。
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