基于高Q谐振腔方法的便携式甲烷气体传感器的研究

摘要

在我国，煤矿中的瓦斯爆炸目前已成为制约煤矿安全生产的主要矛盾。因此，实时检测甲烷气体(瓦斯的主要成分)的产生源、泄漏源以及浓度，对煤矿的安全运行，人身安全及环境保护有着十分重要的作用。 本文是根据华东师范大学姚萌教授的自主专利《便携式红外半导体激光吸收式瓦斯气体检测方法及其装置》中所提出的方法，即将光谱吸收型传感技术和光学谐振腔结合起来，研究基于高Q谐振腔方法的便携式甲烷气体传感器。此传感器的核心部分是对传统光学甲烷气体吸收腔进行改进，这种基于高Q谐振腔方法的小型甲烷气体吸收腔解决了传统光学甲烷气体传感器中因为需要散热而要求气室体积庞大的瓶颈，因此这一改进在很大程度上可以取代传统光学甲烷气体传感器中体积庞大的吸收气室。 文中利用Ansoft HFSS仿真软件对基于高Q谐振腔方法的小型甲烷气体吸收腔进行仿真，其仿真结果验证了光点是随机分布在凹面镜的较大面积上，而不是集中在一点或某几个点上。因此解决了传统光学甲烷传感器中气室因光点集中所积聚的大量热量得不到及时释放而导致光学元件烧损的问题，大大提高传感器的工作寿命；同时也解决了传统光学甲烷传感器中因散热而要求气室尺寸很大的问题。经改进的基于高Q谐振腔方法的小型甲烷气体吸收腔，其最大特点是使用寿命长、光学结构简单、体积小，可以达到便携的效果。这使得光学甲烷气体传感器不只是可以工作在实验室中，也可以应用在实际的外界环境中，对甲烷气体浓度进行实时连续的检测。同时文中通过对不同Q值谐振腔方法的小型甲烷气室进行仿真，仿真的结果均验证了场强在腔体内的分布与理论分析相一致。由此，基于多次再入射光学谐振腔方法的小型甲烷气体吸收腔具有其可行性和可实现性。尤其是对于低Q值谐振腔方法的小型甲烷气室的仿真，由于选取的光学元件性能较低，光信号在腔体中迅速衰减，仿真条件很差。但即使是在这样的条件下，仿真结果仍然清晰可靠，因此这为实际的光学元件产品化设计提供了宽泛条件。

目录

文摘

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第一章绪论

§1.1引言

§1.2现有主流甲烷气体传感器分析

§1.2.1载体催化法甲烷气体传感器原理及分析

§1.2.2光干涉法甲烷气体传感器原理及分析

§1.2.3光谱吸收法甲烷气体传感器原理及分析

§1.3基于光谱吸收法的甲烷气体传感器的研究现状

§1.4课题来源，研究内容及论文章节安排

§1.4.1课题来源

§1.4.2研究内容与创新点

§1.4.3论文章节安排

第二章基于光学谐振腔方法的光谱吸收式气体传感器分析

§2.1气体分子的光谱选择吸收

§2.2吸收式光纤传感器的工作原理

§2.3甲烷气体光谱特征吸收线及光源波长的确定

§2.3.1气体分子的典型吸收线

§2.3.2甲烷气体吸收谱线的选择

§2.3.3光源波长的确定

§2.4差分检测原理

§2.5基于多次再入射光学谐振腔方法的小型甲烷气体吸收腔

§2.5.1光学谐振腔

§2.5.2基于多次再入射光学谐振腔

§2.5.3多次再入射光学谐振腔光程计算

§2.6本章小结

第三章基于多次再入射光学谐振腔方法的小型吸收腔及整个甲烷浓度检测实现方法

§3.1检测系统的总体结构

§3.2光源的选择

§3.2.1目前用于光纤气体传感器中的主流光源

§3.2.2系统光源的选择

§3.3光电检测电路的设计

§3.3.1光电探测器的选取

§3.3.2检测电路

§3.4基于多次再入射光学谐振腔方法的气体吸收腔的设计

§3.4.1吸收腔中透镜的选取

§3.4.2气体吸收腔光程长的确定

第四章基于Ansoft HFSS仿真软件仿真分析所设计的小型吸收腔

§4.1 Ansoft HFSS仿真软件

§4.2建立小型吸收腔模型

§4.3仿真与分析

§4.4本章小结

第五章总结与展望

参考文献

附录：攻读硕士学位期间发表的论文

致谢