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光纤甲烷传感器技术研究

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近年来,瓦斯事故频频发生。因瓦斯引起的火灾、爆炸等严重威胁到人们的人身财产安全。瓦斯的主要成分是甲烷气体,研制出一种高精度、响应速度快的甲烷传感器已经成为一种迫切需要。 从传统电气体传感器开始进行分析比较,阐述了光纤气体传感器的优势,最后指出红外光谱吸收型气体传感器是最具有前途的一种气体传感方案。它以Lambert-Beer定律为理论依据,具有结构简单、实用性强等优势,逐渐占据主流。 早期对吸收型光纤气体传感器的研究是主要采用强度直接解调方法,该技术易受环境、光源及检测电路自身功率波动的影响,实用意义不大;而谐波检测技术的引入则完全解决了这类问题,该技术常用于核磁共振、塞曼和斯塔克谱分析等需要从强背景中提取弱信号的领域。本文针对甲烷气体的测量,介绍一种将分布式反馈半导体激光器(DistributedFeedback,DFB)波长调谐技术与谐波检测原理结合的可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode LaserAbsorption Spectrum,TDLAS)。 通过实验分析了DFB半导体激光器的波长调谐特性及“功率—电流”特性对实际应用的影响。利用甲烷气体的红外吸收谱线,结合谐波检测技术,设计出了一种甲烷吸收光谱型光纤气体传感器系统。实验数据表明它是一种能够实现高精度、高灵敏度测量的甲烷气体传感方案。它具有结构简单、成本低、抗干扰能力强、便于携带、对气体分子高选择性等特点。它采用分布式反馈可调谐半导体激光器(Distributed Feedback,DFB)作为光源,以锁相放大电路进行谐波分析,并利用调制信号基频采用自补偿的方法对接收信号进行气体浓度解调,系统信噪比大大优于传统光纤气体传感器。

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