光纤甲烷气体传感器的研究

基于甲烷气体近红外吸收的机理,研究了一种高灵敏度易于实现的光纤甲烷气体传感器。分析了半导体激光器的调制特性和谐波检测的基本原理,建立了传感器的数学模型。系统采用分布反馈式半导体激光器做光源,气室采用小型渐变折射率透镜构成的气室,加入参考光路和参考气室,使光源输出的中心波长锁定在气体的吸收峰上,通过光源调制实现气体浓度的谐波检测,给出了甲烷气体测量的实验结果。     

多通道多气体光纤传感技术的研究

基于气体的近红外吸收机理,研究了一种可以检测多种气体的光纤传感器.根据被测气体的吸收峰对应波长选择不同的分布反馈式半导体激光器为光源.采用光纤多通道同时测量,配以独特设计的气室探头,可用于煤矿等恶劣环境.对甲烷和一氧化碳气体浓度的检测实验表明,该系统具有较高的灵敏度、精度、稳定性.     

基于超窄线宽激光器的多气体光声光谱检测研究

针对多组分痕量气体检测中精确度差、灵敏度低等问题,设计了基于光源波长扫描技术的光声光谱式多组分痕量气体检测系统。系统采用单一超窄线宽半导体激光器作光源,设计了一阶纵向共振式多光程吸收光声池,通过正弦信号对光源波长进行调制,并结合二次谐波信号检测技术和超窄线宽激光特性,有效地消除了吸收池内的背景噪声和光源抖动的影响,实现...     

光纤瓦斯气体检测系统中光源的驱动电路分析

全光纤光谱吸收式煤矿瓦斯气体检测系统通过在近红外波段对瓦斯气体吸收光谱分析，利用光谱吸收法实现了煤矿瓦斯浓度测量。本系统采用分布反馈式半导体激光器DFB（Distributed Feed Back）作为系统光源，由于DFB激光器的光强和中心波长与注入的电流和结温有关，因此为了保证光源的稳定性并能实现中心波长的调制，系统采用电流可调的恒流源作为光源的基础驱动，同时采用温度控制电路调节光源的结温，实现对光源中心波长的调节和光源的稳定性控制。由于检测信号很弱，为了消除光源的干扰噪声，提高系统的监测灵敏度，系统采用调制吸收系数法测量气体浓度，通过锯齿波对光源的频率进行调制，实现对气体吸收系数的调制。本文给出了DFB激光器的驱动、温度控制和调制电路，试验证明该电路能满足瓦斯监测系统在煤矿现场的应用要求。     

吸收光谱学测量甲烷激光器的研究

基于气体在其特征吸收波长下的光的吸收随其浓度变化的机理,通过对甲烷气体吸收光谱的分析,研究了光谱吸收式甲烷气体浓度检测方法.通过波长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和变化所引起的检测误差,并建立了谐波检测的模型,给出了甲烷气体谐波检测方案.     

基于平均滤波算法的光纤气体传感系统研究

数字平均滤波是信号处理中一种常用的方法。在小信号检测中,使用数字平均滤波可以获得较高的信噪比,提高检测的灵敏度。本文提出了一种利用光学器件来实现数字平均滤波的新方法,应用于基于差分吸收检测原理的窄带扫描光源光纤气体传感系统。系统的输出是一段连续的光谱,包含有被测乙炔气体的多个特征吸收峰。系统使用法珀标准具ETALON和参考光栅提供波长参考,完成对输出信号的光谱重建。对相同波长范围的信号进行平均滤波,使气体的相同特征吸收峰重合,提高检测的灵敏度。利用光谱重建,克服了可调谐Fabry-Perot滤波器驱动电压和透射波长不稳定因素的影响。实验结果表明,本系统可以方便有效地实现光谱意义上的数字平均滤波,检测到较低浓度的乙炔气体,比较适用于工业化气体检测系统。     

用LED作光源的光纤乙炔气体传感器的研究

基于气体的近红外吸收机理,介绍了一种用LED作光源的光谱吸收型光纤乙炔气体传感器.该系统利用布拉格光纤光栅和压电陶瓷(PZT)的窄带滤波特性,对宽带光源LED进行波长调制,获得与乙炔气体吸收峰相对应的窄带反射出射光.利用谐波检测原理,获得探测器输出信号的二次谐波信号,以此二次谐波信号与光纤光栅透射光强的比值作为系统的输...     

基于谐波检测原理的双气室气体传感器研究

基于气体的近红外吸收机理,研究了一种双气室光纤气体传感系统。通过光纤光栅和压电陶瓷对宽带光源LED进行波长调制,获得与气体吸收峰对应的窄带反射出射光。利用谐波检测原理,检测测量气室和参考气室的二次谐波信号,以它们的比值作为系统输出,消除了吸收系数随环境的变化、光源光功率的波动和光路干扰对测量精度的影响。利用波分复用技术实现了多种气体的高精度测量,甲烷气体测量的实验结果表明该系统的测量灵敏度可以达到1×10-5。     

用于二氧化碳浓度红外检测的温度补偿研究

二氧化碳(carbon dioxide,CO₂)浓度监测是实现碳达峰、碳中和的重要基础,非分散红外(non-dispersive infrared,NDIR)检测技术作为温室气体测量领域应用最为广泛的技术之一,如何有效抑制温度漂移、确保长期监测数据的稳定性和可靠性是研究重点。实验表明,光源光功率、气体吸收线强、滤光片中心波长等容易受到环境温度影响。文中提出一种红外气体检测的温度补偿方法,研制了用于大气二氧化碳浓度红外检测的分析仪。选取以4.26μm为中心波长的CO₂气体吸收线;利用高低温试验箱,对分析仪进行温度补偿实验研究;配置标准CO₂气体浓度,对分析仪进行浓度标定实验研究。测量结果表明,红外CO₂气体分析仪浓度测量稳定,温度补偿显著,具有快速响应、应用范围广等优点。该红外CO₂气体分析仪为陆地生态系统碳收支监测等领域提供可靠数据支撑。     

可调谐LED光谱与积分球算法的乙炔检测研究

LED光源经过光纤光栅和压电陶瓷的波长调制,获得与乙炔气体吸收峰对应的窄带反射出射光,并射入装有一定乙炔体积分数气体的积分球内,由于乙炔气体对入射光的选择性吸收及积分球壁的衰减作用,光强减弱,利用积分球算法算出无乙炔气体下积分球的衰减率,进而求出由于气体吸收而衰减的光强差,最后计算出乙炔气体体积分数,为乙炔气体体积分数检测提供了一种新方法.实验表明,该检测方法准确度高,重复性好.     

基于长周期光纤光栅的压力传感器

利用长周期光纤光栅(LPFG)对于弯曲敏感的特性，与应变膜片压力传感技术的机械结构相结合，报道了一种基于长周期光纤光栅的新型压力传感器。实验结果表明，在0～0．13MPa的气压下，长周期光纤光栅透射谱的峰值波长向长波长方向移动了1．8nm；透射峰的幅度减小了13dB。通过检测其在固定波长处的光功率变化值就可以获得待测的压强值。该传感器的分辨率可以达到10^-4MPa，能够很好地满足实际应用的要求。     

硅双结色敏型器件波长测量中环境光影响的研究

为了提高基于硅双结型色敏器件波长测量系统在有环境光噪声时的测量精度,对该类型波长测量系统中的环境光影响进行了理论分析和实验研究.通过对不同峰值波长和光强的高斯函数环境光下传统方法波长测量精度的仿真分析表明,环境光与被测光峰值波长相差越大、光强比越大,则测量结果的误差就越大.进而提出了一种消除环境光影响的改进方法,即去除含噪光(包含被测信号光和环境光)中环境光引起的两结光电流以求得被测信号光的两路光电流及其比的对数,再根据定标光源的峰值波长与其光电流比的对数的对应关系,获得待测信号光的峰值波长.最后,在日光(DLI)和日光灯光(FLI)同时存在的环境光中对传统方法和改进方法进行了测量精度的对比实验,结果表明,改进方法能够有效地消除环境光对波长测量结果的影响,显著提高在有环境光噪声存在时的系统测量精度.     

两段式双稳半导体激光器上跳时参量的变化

考虑到实际的物理过程，本文在通常采用的两段式双稳半导体激光器的速率方程经且中增加了描述两区增益的线型函数，同时考虑到由于受吸收区的影响，ＴＡＢＬ的输出波长不仅与增益区的增益有关，而且与吸收区也有关，因而应是两区共同作用的结果，因此根据物理事实我们增添了一个方程来反映这个特征，在此基础上，利用修正后的速率方程组。数据模拟了两段式双稳半导体激光器上跳时某些重要参量的变化。     

丙丁烷TDLAS测量系统的吸收峰自动检测

基于丙丁烷在3.37μm处的基频吸收峰,使用相应中心波长的连续带间级联激光器和长光程吸收池,研制了基于波长调制技术的丙丁烷气体检测系统。为自动确定波长调制过程中的锯齿波中心值参数,基于电流与输出光频率的线性关系,通过均匀增加激光器驱动电流获得直接吸收光谱。使用基于洛伦兹线型的拟合算法确定吸收峰值对应电流,使锯齿波输出光以其为中心覆盖吸收峰。实验证明,以拟合结果31.94mA为中心值的锯齿波,在叠加频率为20 000Hz、幅值为0.03V的高频正弦调制波后,系统二次谐波峰值超过100mV。算法全过程不依赖标气和F-P标准具等精密光学器件,可适应实际生产条件下的系统自动定参。     

光纤甲烷气体检测系统的研究

在分析甲烷分子近红外吸收光谱特性的基础上,利用通用的发光二极管为光源,实现了对甲烷气体的检测。系统采用双光路、双波长来解决光源功率波动光纤损耗等问题,在接收端采用旋转双色滤光器和单探测器消除了双光电器件的漂移对测量结果的影响。理论和实验证明,这些措施有效地提高了系统的灵敏度和稳定性。     

基于开放式气室的光纤气体传感器的信号分析

根据信号处理理论,分析了开放式光纤气体传感器吸收池的光信号输出特性,提出了设计吸收池的判据,即腔片上复合光束相邻两光斑不重叠时,其输出特性与White型吸收池等效.在信号处理系统中,采用窄带滤波和相敏检波技术,使传感器的输出特性参数的对数值与待测气体浓度成正比.因此,可按Lambert定律对传感器定标.     

基于半导体激光器模式跳变的甲烷浓度检测方法研究

基于单模半导体激光器的模式跃变特性,用两个不同的驱动电流交替驱动激光器使其交替输出两个波长相近的激光,一个位于甲烷的一个窄带吸收峰处,被甲烷吸收;另一个错开稍许,不被甲烷吸收,用作参考光束.光束通过气体吸收室后,经光电转换输出方波电信号,两个波长光的强度分别对应方波信号的顶部和底部,随甲烷浓度变化的光,与其相对应方波的顶部也将随着甲烷气体浓度的变化而变化;参考光束的光不被甲烷吸收,与其对应的方波的底部将不随甲烷气体浓度的变化而变化,于是方波的幅值与甲烷浓度成一一对应关系.由于二者的波长相近,当它们通过媒介气体时,尘埃引起的散射或者衰减基本相同,可以用数学方法将其消去.实验结果表明,该方法在不采用昂贵的数字锁相放大器,且气体吸收光程只有10cm的条件下,达到了0.05%的探测灵敏度.     

一种新型两层垂直层叠结构的CMOS彩色传感器

 本文研究了一种基于两层垂直层叠结构的新型CMOS色彩传感器,该器件可同时对偏蓝波段和偏红波段进行感应,配合绿/品红滤波片,实现彩色成像.由于该器件研制完全兼容于标准CMOS工艺,可以作为一种新型的CMOS彩色图像传感器像素的感光功能器件.它的基本原理是利用不同波长的光在硅材料中穿透深度的非线性分布,即:短波长的偏蓝可见光主要在表面被吸收,长波长的偏红光则主要在更深的位置被吸收.通过垂直层叠结构,配合两色滤波片,抽取不同深度的光生载流子,即可以得到相应波段的成像信息.经过数值仿真和实验测试表明,该传感器可以提供色彩信息,并且可以作为像素结构应用在CMOS图像传感器上,具有较大的实际意义.