光纤甲烷气体传感器的研究

西安石油大学

硕士学位论文

光纤甲烷气体传感器的研究

姓名：王佳

申请学位级别：硕士

专业：测试计量技术及仪器

指导教师：乔学光;贾振安

20090520

中文摘要

论文题目：光纤甲烷气体传感器的研究

专业：测试计量技术及仪器

硕士生：王佳（签名）

指导教师：乔学光（签名）

指导教师：贾振安（签名）

摘要

甲烷是煤矿瓦斯、天然气、沼气的主要成分，是重要的工业原料和民用燃气，属于易燃易爆气体，因此及时、准确地监测空气中的甲烷气体浓度，对工矿安全运行，人身安全及环境保护有着十分重要的作用。

光纤传感器具有本质安全、抗电磁干扰、灵敏度高、动态范围大、响应速度快、不易中毒等优点，非常适用于易燃易爆及一些恶劣环境中的检测，且易于实现远距离测量，倍受国内外学者的关注，尤其在气体检测中呈现出广阔的应用前景。

本课题以甲烷为目标气体，基于气体近红外光谱吸收原理，结合光纤传感技术，设计了一种反射式气室结构的光纤甲烷气体传感器，实现了对甲烷气体浓度的探测。

本论文研究的主要内容如下：

首先，将气体浓度检测与光纤传感技术结合起来，比较了几种典型的光纤气体传感器，确定用光谱吸收式光纤气体传感器对甲烷气体浓度进行检测。

其次，通过对气体近红外选择性吸收的理论分析，找出适合石英光纤进行较长距离低损耗传输的光谱特性，确定了甲烷气体的吸收谱线。采用分布反馈式半导体激光器（ＤＦＢＬＤ）作为光源，通过光源频率调制实现气体浓度的谐波检测，利用二次谐波与一次谐波的比值来消除由光源的不稳定等因素所引起的检测误差。根据光纤气体传感的发展趋势，阐述了分布式光纤气体传感网络的原理及意义。

再次，在理论分析的基础上，设计了一种反射式结构的实验方案，分别描述了光源、传感头和光电探测部分的设计思想，并利用设计的实验方案搭建了实验装置，进行了甲烷气体吸收实验，根据测得的实验数据对系统的特性进行了详细分析。

最后，改进了设计方案，成功研制出一个结构开放的反射式光纤甲烷气体传感器。关键词：甲烷；气体检测；光谱吸收；光纤传感

论文类型：应用基础与应用技术研究

（本文得到国家自然科学基金（６０６５４００１），国家８６３计戈Ｕ（２００６ＡＡ０６２２１０），国家自然科学基金（６０７２７００４），国家８６３计划项目（２００７ＡＡ０３２４１３）的资助）

英文摘要

Ｓｕｂｊｅｃｔ：

Ｓｐｅｃｉａｌｉｔｙ：ＳｔｕｄｙｏｎＯｐｔｉｃＦｉｂｅｒＭｅｔｈａｎｅＳｅｎｓｏｒＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ

Ｎａｍｅ：

Ｉｎｓｔｒｕｃｔｏｒ：

Ｉｎｓｔｒｕｃｔｏｒ：ＷａｎｇＪｉａ（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）ＱｉａｏＸｕｅｇｕａｎｇ（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）ＪｉａＺｈｅｎ—ａｎ（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｍｅｔｈａｎｅｉｓｔｈｅｍａｉｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｍａｒｓｈｇａｓ，ｎａｔｕｒａｌｇａｓａｎｄｂｉｏｇａｓ，ｉｔｉｓ

ａｎｄｄｏｍｅｓｔｉｃｆｕｅｌｇａｓａｎｄｉｔｂｅｌｏｎｇｓｔｏｉｎｆｌａｍｍａｂｌｅａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎｄｍ仃ｉａｌｒａｗｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｅｘｐｌｏｓｉｖｅｇａｓ．

Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｍｅｔｈａｎｅｉｎａｉｒｒａｐｉｄｌｙａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｌｙｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔ

ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．ｆｏｒｓａｆｅｔｙｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｍｉｎｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙａｎｄｐｅｒｓｏｎａｌｓｅｃｕｒｉｔｙａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ

Ｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒ

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