基于紫外荧光法的SO_2检测系统的研究

根据二氧化硫(SO_2)气体在紫外光照射下激发出一定波长荧光的机理,结合光纤传感技术,研制出一种大气SO_2浓度检测系统.整个系统由光学系统和电路系统两部分组成.光学系统采用了以脉冲氙灯作为激发光源的双光路检测方法,克服了光源不稳定带来的误差,使测量结果具有更高的精度.电路系统应用了微弱信号检测技术,使淹没在噪声信号中的微弱荧光信号得到有效的提取和放大.通过性能实验表明,在浓度范围为(0～1 500)×10~(-9)的SO_2,该系统有良好的线性和稳定性,且具有较高的测量精度和较强的抗干扰能力.     

基于激光吸收光谱多点瓦斯监测技术的研究

研究了可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术在煤矿多点瓦斯监测中的应用.分析讨论了基于光谱吸收原理的多点瓦斯实时监测系统的设计方案,TDLAS技术、分布式光纤传感技术和时分复用的信号检测技术相结合,实现多点气体浓度的光学传感.提出了在光路中嵌入标定池的方法来反演浓度.通过不同浓度的瓦斯气体对系统性能进行了测试,检测限低于60×10-6.研究表明系统方案可行,该技术具有实时、连续、非接触快速检测的特点,能够满足矿井瓦斯多点安全监测要求.关键诃: 激光吸收光谱;光纤传感技术;瓦斯;时分复用     

基于LabVIEW的空芯光子晶体光纤CO2气体检测系统

为了实现全光纤型高灵敏度气体在线检测系统,以空芯光子晶体光纤为传感气室,利用CO2气体分子在1 572.48 nm附近吸收谱以及虚拟仪器LabVIEW平台搭建了双光路差分CO2气体近红外检测实验系统。实验中所用空芯光子晶体光纤长度为1.8 m,通过对其两端同时充气,提高了系统响应速度,0.1 MPa下充气过程仅需100 s左右。以标准浓度CO2气体对该系统进行了标定,并对浓度2%、5%、10%和100%的CO2气体进行了测量,结果表明100 min内浓度检测相对误差不超过2%,标准差最大3.32%。气体吸收光程为1.8 m,系统检测灵敏度达到5.981 810-5 W/ppm。     

光纤气体传感系统背景噪声的滤除

在光纤气体传感系统中,为提高检测的灵敏度,需要采取措施抑制系统的各类噪声。通过设计低噪声的前置放大器和光源驱动电路可有效地降低系统的噪声;但对于因光路变化和光在传输过程中偏振态发生变化引起的背景噪声的处理一直是光纤气体传感系统测量灵敏度提高的难点。提出一种基于最小二乘拟合的背景噪声滤除算法。利用参考光栅和法布里-珀罗标准具实现对输出信号的光谱重建。在此基础上,利用气体特征吸收峰两边的输出拟合整个输出曲线。将系统的输出与拟合曲线相除,实现系统输出的归一化,有效地滤除了系统的背景噪声,避免了当传感系统背景噪声发生变化时,需要重新采集背景气的繁琐工作,为测量带来方便。     

基于光纤光栅的差分式甲烷气体传感系统研究

根据甲烷分子的光谱吸收特性,研究设计了一套基于差分吸收技术的光纤传感系统.系统以发光二极管(LED)为光源,折返式吸收池作为气室,利用光纤光栅的窄带滤波特性,用双光路实现了差分吸收检测.分析和实验表明,该系统具有可行性,可用于煤矿、天然气站等领域进行远距离气体含量的实时监测.     

快速傅里叶变换在光纤温度传感器中的应用

提出的荧光光纤温度测量系统,采用双光路双通道测量方式以及化学镀膜和热处理工艺相结合的微小荧光探头制作技术,在研究了微弱信号的检测和处理技术的基础上,采用快速傅里叶变换(FFT)技术对荧光信号进行消噪处理.结果表明,使用该法检测的荧光信号的信噪与传统消噪方法相比有很大提高,从而使系统具有较高的精度和温度分辨能力.该方法的研究克服了特殊环境及电磁干扰环境温度测量的难题.     

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。     

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。     

光子晶体光纤CO2气体传感器的研究

为了能高灵敏度地检测CO₂气体的体积分数,基于红外光谱吸收原理,设计了一种以9m长的空芯光子晶体光纤作为传感单元的CO₂气体传感器。利用该传感器测量了不同体积分数的CO₂在同一吸收波长下的吸收光谱图。结果表明,气体的吸收光强和气体的体积分数之间呈线性变化,与比尔-朗伯定律一致;传感器的灵敏度可达4.389×10-5W。可通过加长光子晶体光纤的长度,来增加气体吸收的有效距离,使传感系统获得较高灵敏度。     

新型光纤CO气体传感器的研究

基于CO气体近红外吸收的机理,研究了一种光谱吸收型光纤CO气体传感器。通过光纤光栅和压电陶瓷(PZT)对宽带光源LED进行波长调制,获得窄带反射出射光,检测其二次谐波,实现CO气体的较高灵敏度测量。利用二次谐波与光纤光栅透射光强的比值来消除光路干扰。建立了谐波检测的数学模型,给出了CO气体的测量结果。实验表明,该仪器的检测灵敏度可达到0.2×10-6。     

变压器油中溶解一氧化碳气体的光纤传感技术

为了满足变压器中绝缘纸板因过热或者放电故障产生的一氧化碳气体的在线监测需求, 提出了一种基于光纤光声传感的油中溶解一氧化碳气体检测技术。采用光声光谱气体检测技术、并结合光纤传感和膜分离技术, 设计了集成油气分离和气体检测功能于一体的光纤光声传感探头, 油中溶解的一氧化碳气体通过油气分离膜进入到光纤探头中的微型气腔; 采用两根光纤将探头连接到解调仪器, 分别传输近红外激发光和探测光; 气体吸收光能产生的光声信号被光纤法布里-珀罗传感器探测, 并被设计的光纤光声解调模块进行信号处理, 获得系统对一氧化碳气体体积分数的检测灵敏度为0.345pm/10-6。结果表明, 所设计的光纤传感系统对油中溶解一氧化碳气体体积分数检出限达到5×10-6。该研究具有精度高、抗电磁干扰、脱气简单的优势, 为变压器油中溶解一氧化碳气体的检测提供了新方法。     

基于光声光谱法的光纤气体传感器研究

论述了光声光谱信号的产生。提出用光纤相位传感器代替传统的微音器检测光声信号 ,讨论了光纤中光波的相位变化与光声信号的关系。设计了光学长程结构 ,有效增加了对光功率的吸收。用染料激光器作光源对SO2气体浓度进行测量。实验表明 ,最低检测灵敏度可达 1 2× 10 -10 。由于采用光谱技术与光纤技术相结合 ,使研制的传感器具有较高的灵敏度 ,信号的传输通道具有强的抗电磁干扰及防燃防爆能力。气体探头体积小 ,响应速度较快。信号处理电路具有较强的抑制噪声干扰能力。该传感器及其系统在灵敏度、精度、响应时间等性能指标上达到了检测气体含量要求     

Optically Powered Pressure Sensor with Optical Fiber Link

An optically powered sensor for measuring pressure which is linked by optical fiber is developed in new scheme.Its pulse positio modulation(PPM)optical signal and op-tical supply power for electronics in probe are transmitted via a single optical fiber.The opti-cal power is carried by a 1300nm laser diode(LD)and the sensing data are carried by a 850nm LED.The remote ptobe uses all CMOS chips and particular modulations(PPM and PWM).Its electrical consumption including signal manipulation and LED driven current from optically converted is less than 100μW.The laser diode supplies 5mW optical power into fhe fiber.A Photodetector converts suffichently this power into electrical power to drive the whole probe operation.The optically powered distance gets up to 500m.The novel sen-sor combines optical fiber and electronies technology into a system.Because of using the prin-ciple of ratio measurement between measured and reference signals.as well as light feedback,the system is available with high reliab,outstanding accuracy and repeatability.     

基于MEEMD-HHT的分布式光纤振动传感系统信号特征提取方法

实际应用中,分布式光纤振动传感系统所测信号多为非平稳随机信号,对其进行模式识别的关键是准确获取信号的幅值-时间-频率瞬时特征。现有的相关研究表明,经验模态分解EMD方法结合希尔伯特变换可获得所测信号中固有模态分量的瞬时能量和瞬时频率,但存在模态混叠问题,后续改进的总体经验模态分解EEMD方法存在伪分量,重构误差大,互补经验模态分解CEEMD方法减小了重构误差的同时增加了运算量,无法保证特征提取与分类的效率与准确性。文中基于改进型经验模态分解方法结合希尔伯特变换MEEMD-HHT方法实现分布式光纤振动传感系统的特征提取,引入的排列熵的评价机制优化了分解过程中随机噪声迭代次数,通过仿真分析与实验对比,验证了该方法可有效解决上述方法中存在的问题,使系统在处理时间、特征准确度等性能皆有提高。实验结果表明,所提出的方法对于单频振动信号平均特征提取准确率达99.2%;对于混频振动信号平均特征提取准确率达98.1%,相对于EMD和CEEMD分别提高15.6%和7%,算法平均耗时最短,为3.8259 s,为分布式光纤振动传感系统的信号特征提取提供了一种可靠、高效的方法。     

网络化甲烷浓度测量系统的研究

光纤气体检测技术有很高的优越性,为了有效抑制噪声,提高测量精度,在环形激光器的基础上提出了将光纤锁模激光器、现场总线技术和网络技术相结合的一种网络式光纤甲烷浓度测量系统,此传感网络系统可以同时对多个气体传感单元和多路现场设备进行实时监控.将大量现场数据和设备运行信息传送到远程计算机,有利于系统的简化和操作.研究了系统各部分的硬件组成,并给出了主程序流程图.     

2μm附近二极管激光吸收光谱CO2浓度测量研究

采用波长2μm附近的可调谐半导体激光二极管作为光源,结合多步吸收光程和光纤传输技术,通过激光吸收光谱直接测量方法对CO2分子浓度进行测量研究。实验在标定了激光器调谐范围内17条CO2吸收谱线的波长及相应的吸收带跃迁的基础上,研究了不同压力下纯CO2气体在2008nm附近的吸收光谱,由吸收信号随气体压力的变化关系得到低气压下实验装置的系统刻度因子。并进一步对样品气体的CO2浓度进行测量,测量给出CO2分子浓度为(2.754±0.145)×1016 cm-3,测量误差主要来源于目前实验中所使用的气压计的精度和读数局限性。该研究为气体分子浓度测量、同位素含量分析提供了一种光谱测量方法。     

光纤荧光式测水中矿物油浓度

石油污染已经成为我国水域环境的主要问题之一,为了掌握石油污染的动态变化趋势,需实时在线测量水中石油浓度。从荧光测量的基本原理出发,研究了水中矿物油荧光检测机理、用荧光法和全光纤传感技术实现石油浓度测量的可行性,建立了水中油浓度的测算模型,确定了其荧光检测的最佳激发波长和荧光波长范围,根据得到的荧光特性设计了荧光激发、吸收和传输的光学系统。选用氙灯作为激发光源,设计了相应的检测系统及放大电路,通过以单片机为控制核心的高速数据采集电路实现了信号的采集转换,最后将数据输入计算机,处理得到了相应的石油荧光光谱。该方法可广泛应用于水中油检测方面。     

光谱吸收法光纤甲烷传感器性能的研究

针对单光源光谱吸收法检测甲烷气体体积分数存在很多测量误差现状,本文首先分析了用发光二极管(LED)做光源时驱动电流抖动造成的测量误差,提出了补偿此电流抖动误差以及测量环境背景光干扰误差的双波长测量方法,简述了其测量原理,重点针对双波长方法从理论上推导了其测量误差通用公式,在此基础上分析井数值模拟了温度变化导致的测量误差,给出了减小双波长温度测量误差建议。研究结果对于其他强度调制型光纤传感器具有普遍的适用价值。     

布里渊光时域分析仪与马赫-曾德尔干涉仪共同检测传感技术

布里渊分布式光纤传感器适用于测量静态的温度/应力,而马赫-曾德尔干涉仪分布式光纤传感器(DOFS)可测量动态的应变变化。许多应用场合需要静态和动态的传感信息,这是单机理分布式光纤传感器难以达到的。由于布里渊光时域分析仪(BOTDA)和马赫-曾德尔干涉传感器都采用双向环路传感光纤结构,通过共用光源和主要光器件,将布里渊光时域分析仪和马赫-曾德尔干涉传感器相结合。利用布里渊传感测温度,马赫-曾德尔传感器测振动,从而可实现多机理多参量传感。搭建了25 km传感实验系统,对于马赫-曾德尔振动传感,定位精度达到60 m,并可计算振动频率;对于布里渊传感,在没有振动时传感光纤的始端和末端都为2 ℃的测量精度,但在振动时得到始端为3 ℃、末端为4 ℃的测量精度。