基于共軛干涉濾波的光學(xué)氣體傳感方法的研究.pdf

1、光學(xué)氣體檢測(cè)在環(huán)境污染、工業(yè)過(guò)程控制、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域應(yīng)用較廣?；诠庾V吸收的氣體檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)檢測(cè)樣氣透射光強(qiáng)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體濃度的測(cè)量。與傳統(tǒng)方式相比，該技術(shù)具有高精度、低交叉敏感、快速響應(yīng)，易于成網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。其中窄帶光譜吸收技術(shù)采用低成本的寬帶光源，且可以利用濾波器選擇不同的吸收峰實(shí)現(xiàn)不同氣體的檢測(cè)，具有非常好的工業(yè)應(yīng)用潛質(zhì)。
　　本文提出了基于共軛干涉濾波的光學(xué)氣體傳感方法，該方法是利用光譜吸收和雙光束干涉，實(shí)現(xiàn)了共軛干涉濾波

2、器，該濾波器能通過(guò)對(duì)應(yīng)吸收氣體吸收光譜的光，而反射其他波長(zhǎng)的光，從而獲得與氣體吸收譜線反轉(zhuǎn)的梳狀光譜。由于氣體吸收譜線本質(zhì)穩(wěn)定的特性，濾波器將輸出穩(wěn)頻的梳狀光譜，并且通過(guò)更換濾波器中氣體種類能輸出對(duì)應(yīng)氣體的輸出光譜。該方法能有效的壓縮寬帶光源的譜寬，大大提高氣體檢測(cè)靈敏度，且能解決氣體檢測(cè)中選擇光源的問(wèn)題。
　　首先，以分子光譜理論、比爾朗伯定律為基礎(chǔ)，分析了氣體吸收線的譜線(線型、線寬、展寬)等理論，研究了基于光譜吸收的氣體濃度

3、檢測(cè)技術(shù)。根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)以及傅里葉紅外光譜儀對(duì)氣體吸收譜線的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了確定。研究了溫度、壓力等因素對(duì)譜線展寬以及吸收系數(shù)的影響，為選擇濾波器的物理參數(shù)提供了理論依據(jù)。
　　其次，研究了共軛干涉式濾波器π相移實(shí)現(xiàn)方法的研究。通過(guò)對(duì)共軛干涉式濾波器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、比較以及討論，確定其結(jié)構(gòu)。并通過(guò)對(duì)輸出光強(qiáng)的仿真、實(shí)驗(yàn)比較對(duì)濾波器參數(shù)進(jìn)行確定，從而最終能輸出穩(wěn)定的π相移濾波輸出。
　　再次，研究了基于共軛干涉式濾波器的窄帶

4、穩(wěn)定輸出光源，包括線性腔單波長(zhǎng)、多波長(zhǎng)窄帶光源，以及基于光纖環(huán)形腔的單波長(zhǎng)、多波長(zhǎng)窄帶輸出光源。該窄帶光源的輸出光能完全對(duì)應(yīng)氣體吸收峰的窄線寬以及中心波長(zhǎng)，光強(qiáng)穩(wěn)定，能有效的應(yīng)用在（多）氣體濃度檢測(cè)上。
　　最后，本文基于差分檢測(cè)方案以及共軛干涉式濾波器的穩(wěn)頻輸出光構(gòu)建了單一氣體檢測(cè)系統(tǒng)以及多氣體檢測(cè)系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)中的窄帶光源、吸收氣室、數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵器件以及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。并設(shè)計(jì)了一種基于光纖空芯光子晶體光纖的氣室結(jié)構(gòu)，給低損耗