光纤气体相关光谱检测的.研究

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1、光源输入光纤鸣芋输出光纤o——[卜一光电转换与信号处理图l—l光纤传感器的基本结构光纤传感器通常有三种分类方法：1．按传感原理来分光纤传感器按传感原理可分为功能型光纤传感器和非功能型传感器两种。一类是利用光纤受外界物理量的扰动(或调制)，使光纤内部传输的光的强度、相位、波长或偏振态发生相应的变化，从而获得扰动场信息，称为功能光纤传感器1”。在功能型光纤传感器中，光纤本身是敏感头。第二：类是利用其它敏感元件测得物理量后，以光纤作为数据传输线路的传感器，称为非功能光纤传感器⋯。这时光纤只起导引作用，普通的光纤就可以满足要求。2．按光纤中光波调制原理来分按光波被调制的特征参量不同。光纤传感器可分

2、为强度调制光纤传感器、频率调制传感器、波长调制传感器、相位调制传感器和偏振调制光纤传感器。在光纤中传输的光波可用如下形式方程描述。E=巨，cos(cot+口)(1一1)式中，&为光波的振幅，”为频率，n为初始相位。式子中含有5个参数，即幅度＆，频率u，波长^=2nc／u，相位(mt+口)和偏振态，外界信息在敏感头与光发生相互作用，如果作用的结果是改变了光的强度，就叫强度调制光纤传感器，如果改变了光的频率就州频率调制光纤传感器。其余可如此类推，就得到5种调制类型的光纤传感器。3．按测量对象来分按测量对象的不同，光纤传感器可以分为光纤温度传感器，光纤浓度传感器，光纤电流传感器，光纤陀螺等．．．

3、6．．第二章光纤气体传感器的一般原理和技术一、概述随着工业化的发展，环境污染变得越来越严重，许多国家都成立了相应的环境保护组织，试图对污染进行检测与控制。环境污染的有效监测与控制，需要一系列新型的传感／测量技术。测量方法包括采样／分析、现场定期抽查，更重要的是在线、连续监测这个过程。基于光纤传感器优良的特性，它将在环境检测，尤其在在线、连续检测方面起重要作用”’。光纤气体传感器是80年代前后出现的一种新型传感器。由于光纤本身的特点，这类传感器以其优异的远距离遥测、抗电磁干扰、适用于易燃易爆等恶劣环境的能力而备受人们关注。光纤气体传感器的工作原理主要是利用物质的荧光、散射、吸收和折射率变化特

4、性，检测气体浓度的变化。目前国内外重点研究开发的光纤气体传感器，其类型主要有强度调制型光纤气体传感器和干涉调制型光纤气体传感器两种。二、光强度调制型光纤气体传感器一些常见的气体在石英光纤低损耗窗口内(1000“ITOOnm)有吸收峰一，见表2—1。表2．1一些常见气体在近红外波段的吸收线气体波长(nm)氧气0z761=氧化碳coz1573一氧化碳cO1567水蒸汽Hz01365二氧化氮N0z800甲烷CH—i667乙炔C2H=1530氨气NH，1544硫化氢HzS1578以甲烷气体为例，它在1667nm附近的吸收谱线如图2一l所示。如果光源光谱覆盖一个或几个气体吸收谱线，光通过气体时发生衰

5、减。通过检测输出光强度可得出气体浓度数值。．7．图2-1甲烷气体吸收谱线根据信号检测方法的1i同，气体吸收传感器有单波长和双波长两种】：作方式。图2—2所示为应用单波长型气体传感器检测丙烷气体浓度的例：f⋯。浚装置由曼部分组成：控制中心、气体吸收盒和传输光纤。控制中心内的近红外发光-极管(In6aAsP，中心波长是160onm)，经过一个20倍的显微物镜耦合进入光纤，传输到远处的待测气体吸收腔内。经过气体腔的输出光再由输出光纤传输回控制中心，由光栅单色仪选取被测气体吸收率最强的谱线，经探测器检测，再经镄相放大器，送入计算机进行数据处理，得出待测气体的浓度值。这种方法所用石英光纤的芯径为50

6、um，长度为5公里，气体盒长0．5米。该装置能探测的最低浓度是320Pa，这相当于丙烷气体爆炸浓度的14％。这种方法的优点是结构简单。但是为增加检测灵敏度，必须增加气体盒的作用长度或者采用怀特(white)腔结构a舯堕一锁相放大器{探测l器．厂一一数据采集’一L。。_4计算机；图2-2单波长光纤气体传感器单波长系统中，由于只检测气体最强的一根吸收谱线的光强。因而探测的信号光强容易受光源波动、光纤接头不稳定以及电路放大系统等因素的干扰而引入测量误差。为此，有人提出改用双波长传感系统，除了检测气体吸收谱线的光强外，同时还接收一个卅i被气体吸收的波长光强作为参考信号。由于外界因素对两个波长的光强

7、造成的影响基本相同，通过相对检测便可消除误差，提高检测的灵敏度。一个典型监视空气污染的光纤传感例子如图2-3所示。图2—3双波长光纤气体传感器系统使用一个双波长(xt，^z)光源，即一个氲离子激光器，输出^-=488．Ohm和^z=514．5rim两种单色光，经过一个耦合器后进入测量光纤，另一部分进入一个校准盒．并进入检测器以便测量输入光强1w和Im探测光纤传送的光进入气室后，经待测气体吸收后由输出光纤送到信息处理中心。