一种基于谐波检测技术的光纤甲烷气体传感器

甲烷是易燃易爆气体,是矿井瓦斯及天然气等多种气体燃料的主要成分.气体爆炸一直是困扰煤矿安全生产的重大难题,因此现场实时检测甲烷气体浓度对于工矿安全运行,人身安全有着至关重要的作用.基于甲烷气体近红外吸收的机理,研究了一种以DFB LD为光源的高灵敏度光谱吸收型光纤甲烷气体传感器.利用光源调制实现气体浓度的谐波检测,用二次谐波与一次谐波的比值来消除光路干扰.建立了谐波检测的数学模型,给出了甲烷气体的测量结果.利用光纤作为传光通道,使得探头可以与测量电?肥迪滞耆绺衾?增强了系统的安全性.     

双气室气体检测系统的研究

基于气体的近红外吸收机理,研究了一种双气室光纤气体检测系统。通过光纤光栅和压电陶瓷对宽带光源LED进行波长调制,获得了与气体吸收峰对应的窄带反射出射光,检测二次谐波,实现气体浓度的较高灵敏度测量。利用测量气室和参考气室的二次谐波的比值来消除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。利用该系统对CH₄气体进行了实验研究,实验表明该系统的测量灵敏度可以达到0.2×10^-6。     

基于光谱吸收型光纤传感器的煤矿瓦斯测量技术

甲烷是瓦斯的主要成分,是易燃易爆的气体。介绍了瓦斯的光谱特性以及光谱吸收法测量甲烷气体浓度的原理,给出了光谱吸收型光纤瓦斯气体传感器的主要进展和技术路径,包括差分吸收测量法和谐波吸收测量法。通过分析可看出,光谱吸收型光纤瓦斯传感器以其优良的特性得到了广泛关注,其中差分吸收法的抗干扰能力强,系统可靠性高,具有较强的工程应用价值。     

CO和CO2的1.58μm波段可调谐二极管激光吸收光谱的二次谐波检测研究

红外可调谐二极管激光吸收光谱技术作为新的痕量气体监测分析方法,在大气化学研究和污染气体监测中得到了应用.文章介绍利用可调谐二极管激光吸收光谱学(TDLAS)技术对常压下的CO和CO2的近红外波段光谱静态测量研究和洛伦兹线型下的CO2二次谐波光谱与调制度的关系.     

长周期光纤光栅气敏薄膜传感器结构优化

基于三包层长周期光纤光栅模型,研究了包层表面涂覆一层溶胶凝胶气敏薄膜的长周期光纤光栅化学传感器的灵敏度Sn与薄膜光学参量(折射率n3和厚度h3)和光纤光栅结构参量(光栅周期、折变量和光栅长度)之间的关系。采用最优化数值方法,找到了获得高灵敏度所需的最佳膜层光学参量和光栅结构参量。理论计算表明,该类型传感器对膜层折射率的测量分辨率高达10-8。实验上制作了对乙醇气体敏感的传感器,并证实了传感器结构优化的必要性。     

纤维光学 光纤器件

TN2532006010444一种基于啁啾光纤光栅温度不敏感的应力传感器=Tem-perature-insensitive strain sensor based on chirped fiberBragg grating[刊,中]/于永森(吉林大学集成光电子学国家重点实验室.吉林,长春(130023)),赵志勇…∥半导体光电.—2005,26(4).—353-355提出了一种基于啁啾光纤光栅温度不敏感的应力传感器。这种传感器是以腐蚀后啁啾的Bragg光纤光栅为敏感元件,利用光栅反射功率的变化测量应力的变化,反射功率对温度是不敏感的。利用光功率计检测光栅反射功率的变化。图5参5(严寒)TN2532006010445熔锥型光纤耦合器的光学性能=…     

失配型双芯长周期光纤光栅弯曲矢量传感

利用高频CO2激光单侧曝光技术及双芯光纤的非对称性,设计并制作了一种长周期光纤光栅弯曲矢量传感器.成栅机理分析表明,光纤边缘处嵌入的纤芯极大地增强了包层中的残余应力,在CO2激光脉冲曝光时,残余应力释放作用增强,光栅质量更高;同时,双芯光纤的非对称结构以及CO_2激光单侧曝光使得光纤器件对偏振非常敏感,写制的光纤光栅在1 555.4nm谐振波长处的偏振相关损耗高达20.8dB.弯曲传感测试表明,在0~1.235m~(-1)曲率范围内,光纤光栅向+y方向弯曲时,透射谱谐振峰波长向长波方向漂移,灵敏度为2.37nm/m~(-1);光纤光栅向-y方向弯曲时,谐振峰波长向短波方向漂移,灵敏度为1.80nm/m~(-1).该弯曲矢量传感器结构简单,灵敏度高,可广泛应用于道路、桥梁等建筑的安全检测.     

非标定波长调制吸收光谱气体测量研究

为消除可调谐激光调制吸收光谱气体测量技术对于标定过程的依赖,研究了二次谐波信号的非标定波长调制气体测量方法.通过对测量的二次谐波线型进行分析,给出相同工况下二次谐波模拟信号,并利用测量与模拟二次谐波信号进行线性拟合直接计算气体浓度.实验室内采用非标定波长调制气体测量方法,利用 6336.24 cm^-1处特征吸收谱线对10 cm长气体吸收池内的CO₂进行了测量.结果表明,非标定波长调制气体测量方法可适应各种不同条件,适合于现场气体在线测量.当调制系数在1.8—3. 关键词： 波长调制 二次谐波 吸收光谱 半导体激光器     

用Bragg光纤测量气体浓度

基于气体的光谱吸收特性,本文提出了一种采用Bragg空芯光纤作为吸收池的新型光纤气体传感器.运用解析法和微扰分析法求解了Bragg空芯光纤中的相对灵敏系数.由于场分布主要集中在芯区,对气体损耗较为敏感,因此,这种光纤气体传感器具有灵敏度高、快速响应、结构简单的特点.耦合多个波长可实现对多种气体同时测量.     

基于激光瞬态特性的气体浓度光纤传感器

报道了一种基于掺铒光纤激光器瞬态特性的新型气体浓度传感器.用光纤环全反镜和光纤Bragg光栅(FBG)构成F-P线形腔，通过调节光栅的反射波长，使激光激射波长落在C₂H₂的一个较强的吸收峰1531.56 nm.激光激射延迟时间与激光器谐振腔损耗密切相关，气体浓度的改变将引起谐振腔损耗的改变，通过测量激光激射延迟时间可以获得气体的浓度.该装置分辨率及灵敏度由抽运光脉冲的高功率电平和低功率电平决定，传感器的动态测量范围由抽运光高功率电平决定.当高功率和低功率电平分别为25 mW和5.9 mW时,该传感器的灵敏度和分辨率分别为100 ppm/μs和20 ppm.     

涂有半导体气敏薄膜的长周期光纤光栅气敏传感特性理论分析

首先利用耦合模理论研究了长周期光纤光栅LPFG折射率敏感特性,数值计算了长周期光纤光栅透射谱谐振波长与环境介质折射率的关系。其次分析了半导体氧化物气敏膜光学特性机理,当气体与薄膜接触时,气体会使敏感膜的消光系数、吸收系数和相应的折射率发生变化。基于上述两点,提出可将气敏膜涂于光栅表面,利用气敏膜的折射率随环境气体成分和浓度变化而变化的特性,从而影响LPFG透射谱谐振波长的变化,通过检测波长的变化达到探测气体成分和浓度的目的。由于长周期光纤光栅对环境介质折射率的灵敏度高于光纤,且其传感信号属于波长调制,测量信号不受光强波动及光纤损耗的影响,因此其灵敏度比强度型光纤气体传感器高。     

采用正弦微窗光栅的位移传感器

研制了一种新型的光栅位移传感器,它采用了一种被作者称为正弦微窗光栅的新元件作为指示光栅,用于消除光栅信号中的高次谐波,所为正弦微穿光栅是一种由许多微小的正弦穿孔排列组成的光栅。介绍了采用光学图形发生器和刻蚀镀膜工艺制造这种光栅的方法。并将制成的正弦微穿光栅用于光栅位移传感器的设计。实验表明,新型传感器能够很好地抑制光栅信号中的高次谐波,可将高次谐波总旧降至基波的２％以下。     

长周期光纤光栅传感器温度和应变灵敏度分析

从耦合模理论出发,分析了长周期光纤光栅的温度和应变灵敏度.结果表明,长周期光纤光栅的温度和应变灵敏度不仅与光栅周期和纤芯参数有关,还强烈依赖于包层参数.通过选择适当的参数,可以制成对温度(或应变)不敏感的应变(或温度)长周期光纤光栅传感器,从而可以解决光纤光栅传感器的温度和应变交叉敏感问题.同时,利用基模与不同包层模耦合时温度和应变灵敏度的不同,可以用一根长周期光纤光栅传感器同时测量温度和应变.     

光纤光栅式飞机驾驶杆杆力传感器研究

提出了一种基于光纤布喇格光栅的飞机驾驶杆力传感器.理论上讨论了飞机驾驶杆弹性元件力学特性和光纤布喇格光栅的应变传感特性,分析了飞机驾驶杆力传感器的灵敏特性.实验上通过测量不同外加载荷力作用下光纤光栅中心波长变化,研究了光纤光栅式飞机驾驶杆力传感器的传感响应特性.实验结果表明:光纤光栅中心波长漂移量和外加载荷力成线性关系,与理论分析吻合;传感器的横向与纵向灵敏度可以分别达到2.07pm.N-1和1.80pm.N-1,与数值模拟结果基本一致.     

基于宽谱光源的光纤传感波长解调系统的研究

研究制作了基于宽谱光源的光纤传感波长解调系统, 以多光纤光栅作为波长参考基准、采用可调谐光纤法布里-珀罗(F-P)滤波器作为波长扫描器件。系统中采用三次多项式拟合的方法对滤波器锯齿波的扫描电压与透射波长关系曲线进行非线性拟合, 解决可调谐光纤F-P滤波器的电压—波长非线性关系对系统测量带来的较大误差问题, 实现波长的高精度解调。采用五光纤光栅做波长参考, 单根光纤光栅传感器的解调实验结果表明：待测光纤光栅布拉格波长短期测量分辨率为3.5 pm, 长期测量稳定性为7 pm。采用该系统对光纤非本征法布里-珀罗干涉型(EFPI)应变传感器的测试结果表明, 测量应变灵敏度为2.41 nm/με, 并且应变和波长之间存在良好的线性关系, 线性相关度达到0.99991。     

一种新型FBG热式液体流量传感器

光纤布拉格光栅热式流量传感器目前只适用于气体流量,为扩大其应用领域,设计了一种可用于液体流量测量的新型光纤布拉格光栅热式流量传感器。该光纤布拉格光栅热式流量传感器使用陶瓷加热片以恒定功率提供热量,不同流量的液体经过传感器时带走的热量不同,通过检测光纤布拉格光栅中心波长的变化就可以测得传感器的温度变化,进而推导出液体流量大小。通过温度传感测试实验和流量传感测试实验,验证了所设计的传感器可用于液体流量测量。实验结果表明,该传感器的流量测量范围为40.575~550.664 L/h。     

大气环境条件下波长调制光谱无标测量的压强修正

可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS)由于其高灵敏度、高选择性等优势广泛用于痕量气体检测领域。然而其测量结果容易受到目标气体压力波动的影响,特别是在大气环境下尤为明显,现有方法多为在现场安装压力传感器,对测量结果进行校正。提出了一种无需压力传感装置的气体浓度修正方法。选取碰撞展宽占主导地位的气体吸收谱线,分别建立谱线展宽与波长调制光谱一次谐波(WMS-1f)信号的峰谷值间距和二次谐波(WMS-2f)过零点间距的解析表达式,通过测量一次谐波峰谷值间距或二次谐波过零点间距直接得到被测气体压强,进而利用波长调制光谱一次谐波归一化的二次谐波(WMS-2f/1f)技术补偿测量环境中压力波动对气体浓度测量结果的影响。实验以浓度为1 980 mg·m~(-3)的CO_2为目标气体,选取其位于4 989.97 cm~(-1)的吸收作为目标谱线,在大气压附近进行不同调制深度的变压力测量实验,通过实验分析了压强变化对二氧化碳吸收谱线谐波信号的影响,利用一次谐波峰谷值间距和二次谐波过零点间距分别反演了气体压强,并与气体压强传感器测得的压强数据进行对比,压强偏差在1%以内,验证了通过谐波间距解析表达式计算压强的正确性及通过测量谐波间距对浓度补偿的可行性。最后利用WMS-2f/1f技术和通过谐波间距测得的压强数据对气体浓度进行压强补偿修正,结果表明通过测量谐波间距修正后的浓度与通过高精度压力表补偿后浓度相比误差小于2%,与通过谐波间距推导得出的压力不确定度(小于2%)一致,验证了该方法的可行性和有效性,进一步提高了TDLAS技术在压强波动较大环境下进行气体浓度检测的测量精度。利用谐波间距对气体浓度补偿的方法无需额外的气体压力传感器,简单易行,特别适合于大气环境中气体成分的高灵敏高精度开放光路遥测,也可用于气体浓度和压强的同时测量。     

渐变折射率传感气室中干涉噪声的数值模拟与分析

在直接红外吸收式光纤气体传感器中,由渐变折射率（Graduated Refractive Index,GRIN）棒透镜构成的微型传感气室有着广泛的应用。分析了GRIN气室中的干涉噪声信号和甲烷信号,并利用MATLAB对干涉噪声信号的幅值与分布反馈式半导体激光器（DFBLD）的频率调制幅度之间的关系以及干涉噪声对气体检测灵敏度的影响进行了数值模拟与分析。当前谐波检测技术是气体检测的一种非常重要的技术,这种技术需要检测气体吸收信号的一次、二次或更高次谐波。而GRIN气室的二次干涉噪声对浓度信号有很大的影响,研究发现当频率调制幅度达到某些特定频率值时,二次干涉噪声信号的幅值变为零,通过调整气室参数和DFBLD的调制频率可以削减干涉噪声的影响从而提高谐波检测技术的检测灵敏度。     

光纤光栅应变传感器光-力转换的理论方程

光纤光栅(FBG)应变传感器的光-力转换方程,为其标准化设计、参数标定及精度分析的理论依据.基于Ansari光纤传感器的应变传递分析模型及弹性力学的基本理论,建立了统一的埋入式光纤光栅应变传感器光-力转换的基本理论方程.方程的建立反映了传感器复合体内部及其与观测环境之间的力学耦合机制,考虑了应变传递分析模型的各边界条件、变形协调条件,以及传感器的所有几何尺寸.对传感器实例的实验研究表明,这一理论方程基本可靠,可成为光纤光栅应变传感器优化设计和性能分析的实用化理论工具.     

纤维光学 光纤参数测试

TN252006010441测量光纤有效弹光系数的一种新方法=A new methodmeasuring fibers′valid elastic-optic constant[刊,中]/彭保进(浙江师范大学信息光学研究所.浙江,金华(321004)),廖延彪…∥光学技术.—2005,31(5).—655-658针对目前许多新型光纤有效弹光系数测量的需要,报道了用光纤布喇格光栅(FBG)传感器测量光纤有效弹光系数的新方法。用一个温度参考光栅、一个测量光栅和一已知膨胀系数的材料,结合光纤布喇格光栅的特有性质进行了测量。建立了实验系统,实验结果表明,系统可以有效地解决温度与应变对光栅存在交叉敏感的问题,成功地测…