必威体育精装版光纤气体传感器教学课件PPT.ppt

波长调制的实现 波长扫描与波长调制相结合的方法 特点：激光二极管的中心波长不需要严格的对准气体的吸收峰，从而不需要对激光二极管采取稳频措施，仍可以达到很高的检测灵敏度 微弱信号检测技术 微弱信号检测是吸收型光纤气体传感器的关键技术之一。 噪声是限制微弱信号检测系统的决定性因素，对于微弱信号检测来说，如能有效克服噪声，就可以提高信号检测的灵敏度。 光电探测器输出的信号中，含有气体浓度信息的信号是淹没在噪声中的微弱电信号，尤其在低浓度气体检测的情况下，微弱检测信号本身的起伏、传感器的优劣、放大电路及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰噪声等，使得有用的被测信号被大量的噪声和干扰所淹没。 微弱信号检测的关键在于抑制噪声，恢复、增强和提取有用信号，即提高其信噪改善比。 微弱信号检测技术 主要方法：滤波技术、相关原理和相关检测技术、低噪声放大等。 相关原理：锁相放大器（基于互相关原理） 锁相放大器作为一种有效地检测微弱信号的手段在研究中广泛应用，它可在强噪声及噪声环境中测量微弱慢变的光学信号，在光学测量中有重要作用。 锁相放大器 用调制器将直流或慢变信号的频谱迁移到调制频率处，再进行放大，以避开噪声的不利影响； 锁相放大器 利用相敏检测器实现调制信号的解调过程，可以同时利用频率和相角进行检测，噪声与信号同频又同相的概率很低； 锁相放大器 用低通滤波器而不是用带通滤波器来抑制宽带噪声。低通滤波器的频带可以做的很窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也远远优于带通滤波器。 锁相放大器 被测信号 参考输入 输出信号 检测系统设计方案 一次谐波检测系统框图 检测系统设计方案 一次谐波检测系统框图 检测系统设计方案 一次和二次谐波检测系统框图 检测系统设计方案 LD激光器选择依据 鉴于光纤传感器的结构有限，要求光源体积小，便于与光纤耦合，所以光源模块应具有高集成度，便于维护，使用方便； 激光器有足够大的光功率输出，特别是激光器和光纤之间的耦合效率要高，在长距离应用时，足以保证光电检测器能够检测； 输出中心频率同甲烷气体的吸收谱线中心（1653.72nm）相吻合，激光器谱线宽度要远小于气体吸收线半宽，并且在中心频率附近有良好的线性调谐特性； 检测系统设计方案 LD激光器选择依据 激光器寿命长，光源工作时稳定性好、噪声小，能在室温下连续长期工作； 激光器有高速的调制相应特性，即宽带的调制特性； 有良好的温度特性，即激光器在工作环境温度变化时，其性能应相对稳定。 光纤气体传感器复用技术分类及原理 满足气体检测和工业过程控制多点多参量气体的监测和控制的要求； 降低整个系统的成本，减少连接光纤的数量， 可简化系统光源以及信号检测处理系统，增强系统可靠性 方法：空分复用、时分复用、波分复用和频分复用 * * * * * * * * * * 光纤甲烷检测系统 光纤甲烷检测系统 光纤气体传感器 —光谱吸收式光纤甲烷检测系统 各种光纤气体传感器及其性能比较 传感器类型 优点 缺点 干涉型 灵敏度高 稳定性差，难以实现遥测 反射型 灵敏度较高 线性范围窄，长期稳定性差，需加工 光纤渐逝场 气体传感器 灵敏度高，能实现分布式传感及交叉分辨 表面污染问题严重，其中多聚物包层光纤对相对温度、湿度、渐逝场的强度依赖性大；需加工 近红外吸收 差分吸收检测 灵敏度高 斩波器的使用使得稳定性不高，滤波片的使用使得有用光功率不足 谐波检测 灵敏度高，稳定性较好 需求光源可调谐范围较宽，频率稳定度高，光源驱动较复杂 光吸收热效应 灵敏度较高 传感探头带电，难以实现遥测，且需要大功率输出光源 光谱吸收型光纤传感器 光谱吸收法是通过检测气体透射光强或反射光强的变化来检测气体浓度的方法。每种气体分子都有自己的吸收(或辐射)谱特征，光源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的部分才产生吸收，吸收后的光强将发生变化。 光谱吸收型光纤传感器 光谱吸收型光纤传感器是基于激光光谱分析技术设计的，结合现代光纤通信技术，将以前主要用于实验室气体分析的激光光谱分析技术应用在工业现场。同时利用光纤技术的特点，使光谱吸收型光纤传感器在探测灵敏度、远程遥测、多点测量方面发挥更大的优势 近红外光谱吸收型光纤传感器 近红外光谱吸收型光纤气体传感器与其他光纤气体传感器相比具有极高的测量灵敏度，极高的气体鉴别能力，快速的响应能力，简单可靠的气体传感探头、气室以及易于形成网络等优点，是目前研究最广泛，最有前途的一种光纤气体传感技术。 核心思想：Lambert-Beer定律 光谱吸收式气体传感器理论基础 为光频为v处的吸收系数，表示体积浓度为100%，吸收光程长度为1cm时吸收气体对频率为的v单色光的吸收能力； C为吸收气体