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。     

采用VCSEL激光光源的TDLAS甲烷检测系统的研制

相比于使用DFB边发射激光器,采用VCSEL激光器作为检测光源的TDLAS激光气体检测系统,具有功耗低的优点。针对低功率下的TDLAS气体检测信号特点,结合VCSEL激光光源调制特性,自主开发了VCSEL激光器驱动模块、信号采集及处理模块,采用波长调制光谱(WMS)技术研制出了一套低功率甲烷(CH4)气体检测系统。选择了1653.7 nm附近CH4分子的吸收峰作为吸收谱线,采用锁相放大器提取二次谐波(2f)信号。实验研究了不同浓度的CH4检测的响应情况,记录2f信号的峰峰值并进行线性拟合,线性度为0.999 8。该检测系统在50~500 ppmv范围内,检测精度优于10%,检测下限为10 ppmv。对250 ppmv的CH4持续检测10 h,数值波动小于±2.4%。引入Allan偏差分析,初始积分时间为1 s时,Allan偏差为9.9 ppmv;积分时间达到359 s时,Allan偏差为0.06 ppmv,表征了系统良好的稳定度。     

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。     

光纤CH_4气体传感器的实验研究

根据CH4气体近红外的光谱吸收特性,讨论并制作了一种易于实现的光纤CH4气体传感器。传感器基于Lambert-beer定律,采用1653nm的分布反馈式激光器(DFB-LD)光源,具有很高的测量精度。通过分析实验测得的CH4吸收曲线,得出系统的灵敏度为6.252×10-4μW/ppm,分辨率为64ppm,可探测最低浓度为100ppm。     

基于宽带光源与相关光谱技术的CH4传感器研究

针对传统光学传感技术气体选择性不高与激光光源在气体检测中需严格控温的缺点,采用红外宽带光源进行CH4气体的检测,并结合实验所用气室与光电探测器件参数,利用HITRAN数据库对CH4吸收进行仿真计算,得出了系统理论探测下限与光强信号之间的变化规律。在不同CH4浓度梯度的实际测量中,采用快速傅里叶变换(FFT)与Savitzky-Golay数字滤波相结合的方法对系统噪声进行处理,将外部因素引起的噪声干扰降低了1个数量级,在不同CH4浓度梯度的实际测量中,利用CH4浓度和光强调制系数的对应关系对系统进行了标定,并通过数据拟合得到CH4浓度的反演曲线,相关系数达到0.998 83,测量灵敏度低至20×10-6,系统检测下限约为50×10-6;与传统化学传感器相比,系统测量误差小于1.5~7.0%,实现了CH4浓度的精确检测。     

CH_4监测的反射式光纤传感方法研究

根据CH4的光谱吸收特性,研究了一种基于比尔-朗伯定律的光纤CH4气体传感方法。采用1665nm的分布反馈式激光器(DFB-LD)光源,设计了一种带有环形器的反射式气室结构,实现了传感器小型化。实验结果表明,该方法可探测的最小CH4浓度约为10ppm,系统灵敏度较高且稳定性好。     

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F-P的光纤气体检测系统

简单介绍了利用F-P的可调谐性提出的一种新型的基于1550nm宽带光源的光纤气体检测系统的工作原理、实验装置软硬件设计以及利用该实验装置进行实验数据处理的思想--FFT一次谐波算法和计算光谱面积的算法.利用一次谐波的方法进行了实验,得出实验结果和结论.     

光纤气体传感检测技术研究

光谱吸收型光纤气体传感器可以实现对气体的准确、快速、高灵敏度的检测,结合原理和典型系统综述了五种检测方法,其中单波长光谱吸收检测、差分检测、谐波检测技术发展得比较成熟,并且开始应用在石油化工等领域,而光腔衰荡光谱技术（CRDS）和有源腔气体检测技术是近几年刚兴起的新技术,具有实际吸收光程长,检测精度不受光源强度及其变化影响的特性,是很有发展潜力的光谱吸收检测技术。     

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...     

二氧化硫检测仪光源系统的优化设计

为了解决国内传统二氧化硫检测仪在光路上存在荧光数量少、采集精确度低等问题,提出了一种改进的光路系统。点光源通过透镜进行平行准直及会聚,利用窄缝减弱杂散光的干扰,改善了传统光路结构上光会聚效果差的缺陷,提升了检测精度。运用Zemax对新光路和传统光路进行仿真,通过对比点列图、探测视图得出新光路的方均根半径减小到35.439μm,几何最大半径减小到50.194μm,气体与光源接触区域的光强提高。对其进行实验检测,数据表明改进后的光路系统的二氧化硫浓度示值误差由传统仪器的2%缩减为1%,提高了检测精度。新研制的光路系统能有效解决上述问题,适用于二氧化硫检测仪的设计。     

乙炔气体浓度的TDLAS在线监测

介绍了利用可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术实现乙炔浓度在线监测的研究。该系统通过复合调制信号调制近红外分布反馈式二极管激光器（DFB LD）作为光源,光纤耦合器将激光分为两束,分别通过0.5 m封闭短光程气体吸收池和参考光路,双路接收采集含有气体浓度信息的测量光信号和参考光信号送后级处理,应用快速傅里叶变换（FFT）得到含有气体浓度信号的各次谐波检测分量,实现乙炔浓度信息反演,其中多次平均、数字滤波及背景扣除等数字信号处理技术被用于提高系统信噪比。通过理论分析和试验系统实验证明,该系统在软、硬件上的设计可以满足乙炔气体的在线监测,且系统体积小,光路调试和标定简单,便于实际应用。     

微型投影系统光路设计

为了改善传统的数字光处理投影系统（DLP）体积较大、结构复杂、成本较高、对光源的利用效率较低的问题,采用一种基于单颗三色发光二极管作为照明光源,单颗透镜形成平行光的新型DLP投影光路结构的方法,对传统光路进行了改进与优化。无需传统光路中的色轮,透镜直接实现了传统投影光路中聚光和匀光的复杂结构,并利用TRACEPRO软件进行建模,通过光线追迹对该投影光路进行了光学分析。结果表明,整个光学系统的体积控制在76.8mm×32.2mm×25mm,光能利用率达到了60.1%,光斑均匀性达到了96.6%,屏幕表面的光通量为21.7lm。该研究减小了投影光路体积,简化了光学结构,提高了光能利用率。     

基于谐波分析的相位型表面等离子体共振传感器

提出了一种利用电光调制和谐波分析的相位型表面等离子体共振(SPR)传感器结构。和传统的相位型SPR传感系统相比,该系统结构采用一路光路并用软件实现相位提取和分析,简化了系统结构;P光、S光采用共光路的光路结构,可以有效抑制相位噪声;可以使用较低电压的调制电源。利用该系统对不同浓度酒精溶液进行了测量,取得了和理论预期相一致的结果。     

一种实用波导衰减系数测量系统的设计

以波导耦合理论为依据，设计了集光电为一体的波导衰减系数测量系统。测量以激光为光源，采用双光路法，消除了传统检测显示仪由于光源光强不稳定产生的误差，使得测量结果只与光强的相对变化量有关；利用AD538实时模拟计算芯片，提高了计算精度和运算速度；利用常规仪器设备实现了数字化检测显示，避免了人为主观读数产生的误差．该系统亦可应用于介质折射率及分光镜分光比等光学参量的测量。     

基于ZEMAX二氧化硫荧光采集光路的设计仿真

为了实现二氧化硫分析仪精确连续地检测空气中低含量SO₂, 针对传统二氧化硫检测仪在荧光汇聚时存在光线汇聚效果弱、像差大且由于透镜的焦距长增大了荧光采集光路长度等问题, 在传统仪器的基础上对荧光采集光路重新进行了设计优化。采用分解光焦度的方法改善系统的球差问题, 进行了理论分析和实验验证。改进后对其进行ZEMAX仿真并运用正交法对新光路进行修正。通过仿真两种光路的非序列结构阴影模型图、探测查看器的光照图以及点列图, 取得了光强以及光斑直径的实验数据。结果表明, 优化后的光路系统峰辐强度达到了219.41W/cm2, 弥散斑直径减少了17%。该方案能够有效解决传统光路中的不足之处, 成像质量效果更佳。     

基于数字锁相放大器的甲烷气体检测仪设计

针对甲烷气体浓度实时检测的要求,设计了一型基于谐波检测原理的检测仪器。该仪器由DFB激光器、准直器、角反射器构成高信噪比光路系统,由数字锁相放大器提取甲烷气体吸收后的一次和二次谐波,并采用标准仪器校准、最小二乘拟合等方法,得到了甲烷气体浓度计算公式,最大测量误差不超过1.1%。测试表明：该仪器通过高性能光路系统和数字电路提取微弱信号,提高了仪器工作稳定性和检测信噪比,测量误差满足使用要求。