大型动力工厂和矿业部门排放出大量的易燃、易爆、有毒、有害气体,使人类的生存环境和人身安全受到严重威胁,对这些气体进行快速、实时检测对于工矿安全生产及环境保护有特别重要的意义,而对某些有毒气体,要求能检测到很低的浓度。传统的气体传感器大多数通过其探头的电阻或电容变化来测定气体浓度,其灵敏度低,抗干扰能力差。人们对发展快速、灵敏而有效的气体检测手段的需求十分迫切。由于光纤气体传感器具有本质安全、抗电磁干扰、灵敏度高、动态范围大、响应速度快,测量精度高,可远离现场检测等优点,近年来受到国内外广泛的重视。 本文研究是基于光谱吸收方法的光纤气体检测系统。在近红外波段,每种气体分子有固有的吸收光谱,当光源的中心波长精确对准被测气体的吸收峰时,光通过气体时就会被吸收,其吸收强度与该气体浓度有关,通过对输出光强分析就可以检测到气体的浓度。以甲烷和乙炔为目标气体,确定了气体的吸收谱线,找出适合普通石英光纤进行较长距离低损耗传输的光谱特性。采用分布反馈式半导体激光器(DFB LD)作为光源,通过光源调制实现气体浓度的谐波检测,利用二次谐波与一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,通过光强的差分吸收来检测也可以减小光强的影响。 本论文的研究内容主要有: ·光谱吸收式光纤气体传感器检测原理的研究,重点分析了正弦波调制和三角波调制的谐波检测方法,并比较了这两种调制方法,从理论和实验中证明了三角波调制检测效果好。 ·基于DFB LD光源的光纤气体传感器的实验室研究系统的构建,采用高速数据采集卡组成了一套实验用光纤气体传感器系统,进行电路调试,设计了专用的解调软件GasSensor,实现了分析数据和采集波形的可视化输出,方便了研究和测试。 ·对光强差分吸收检测方法进行了理论研究,选择DFB LD作为光源,设计了有参考光路的系统并进行了初步的实验研究。 ·以甲烷和乙炔气体为例,用所编制的解调软件进行实验研究,初步得到气体的浓 度检测曲线,验证了检测方法。 ·DFB LD光源的外壳温度和内核温度的控制非常重要,这直接影响光源的输出中心波长,改进了温控模块,进行了系统的温控试验。