基于光时域反射的准分布式光纤光栅甲烷传感系统的关键技术研究

发布时间：2023-05-03 11:48

　　在我国工业化进程中,光纤气体检测传感是工业安全工作中极为重要的课题。其中,煤矿行业是我国工业发展非常重要的行业,因此用于煤矿的光纤甲烷气体传感器的研究更是重中之重,对我国安全监测工作具有非常重要的意义。目前,市面上的光纤甲烷气体传感器大多是结构复杂,体积笨重,价格昂贵且不能实现分布式测量,很难集成到系统应用在工业安全中。因此,研究出一种易集成、结构简单、高精度的准分布式甲烷气体传感器具有非常重要的实际意义。本文所讲述的准分布式光纤甲烷传感系统是以光时域反射原理和时分复用技术结合在一起的准分布式光纤甲烷传感系统。该系统通过时分复用技术用一条光纤串联多组气室与啁啾光栅作为系统的传感模块,经光环形器将从传感模块反射回来的信号传输到系统的探测采集模块,然后采集分析返回的信号,可以测量甲烷气体的浓度,并且由于光时域反射原理,从采集的信号可以对煤矿中甲烷气体定位。除此之外,由于啁啾光栅的宽带宽特性和甲烷光谱的特性,可以通过改变温度来改变激光器输出波长,根据高斯牛顿迭代法模拟甲烷气体的吸收光谱,实现甲烷气体吸收光谱下的浓度解调,提高了系统对浓度解调的精确度。本系统结构简单,成本低廉,且能够实现高精度...

【文章页数】：90 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 光纤传感气体检测方法
        1.2.1 常用气体检测方法比较
        1.2.2 光纤气体传感测量优点
        1.2.3 准分布式的光纤传感器
    1.3 光纤传感气体检测国内外的发展趋势
        1.3.1 国外发展趋势
        1.3.2 国内发展趋势
    1.4 本文的主要研究内容及工作安排
第二章 准分布式系统光谱吸收甲烷气体检测的基础理论
    2.1 光谱吸收气体检测原理
        2.1.1 气体分子光谱吸收基本理论
        2.1.2 Lambert-Beer吸收定律
        2.1.3 吸收线强度
        2.1.4 线型函数的选择
    2.2 准分布式系统检测原理
        2.2.1 时分复用技术
        2.2.2 光时域反射原理
        2.2.3 光纤光栅传感原理
    2.3 本章小结
第三章 准分布式系统的结构设计及功能实现
    3.1 准分布式系统设计
    3.2 准分布式系统光纤元件选型
        3.2.1 激光器
        3.2.2 光环形器
        3.2.3 啁啾光纤光栅(CFBG)
    3.3 光电探测器(Photodetector,PD)
    3.4 声光调制器
    3.5 激光二极管控制器
    3.6 放大器
    3.7 高速采集卡
    3.8 本章小结
第四章 准分布式系统甲烷气体浓度解调方法
    4.1 单一波长的甲烷气体浓度解调方法
        4.1.1 基于一元线性回归法的参数修正
        4.1.2 实验验证及讨论分析
    4.2 高斯牛顿迭代法拟合甲烷吸收全光谱
        4.2.1 光谱特性分析
        4.2.2 激光器输出波长的选择
        4.2.3 高斯牛顿迭代法拟合甲烷吸收光谱
    4.3 多波长下的甲烷浓度解调方法
        4.3.1 光谱积分解调
        4.3.2 光谱峰值解调
    4.4 本章小结
第五章 准分布式系统测试实验及结果分析
    5.1 准分布式系统平台实验环境
    5.2 光纤链路损耗实验
    5.3 累加平均去除噪声
        5.3.1 累加平均算法原理
        5.3.2 累加平均次数的选择
    5.4 甲烷气体吸收实验分析
    5.5 重复性实验
    5.6 本章小结
第六章 总结和展望
参考文献
致谢
攻读硕士期间参与的项目和发表的论文
学位论文评阅及答辩情况表



本文编号：3806733