《毕业设计－基于谐波检测的甲烷气体光纤传感器的研究设计》

1、 基于谐波检测的甲烷气体光纤传感器的研究设计摘要本文研究了新型的光纤甲烷气体浓度的检测系统。从甲烷的分子结构出发，研究了甲烷分子的红外吸收谱线并选取合适的吸收峰。根据比尔朗伯定律，建立了谐波检测技术的数学模型。其可以有效将光源波长精确锁定在气体吸收线中心，并消除光强波动等共模噪声带来的误差。研究了DFBLD的工作原理及其作为系统光源的优点，并针对其特点设计了驱动和温控电路。介绍了光电探测器的特性，设计了一系列信号检测电路(包括正弦波发生电路、倍频电路、前置放大电路和滤波电路)。研究了数字锁相放大器的结构及其工作原理。分析了气室及其与光纤的耦合。最后基于LabVIEW设计了虚拟示波器。关键词：甲

2、烷；光纤传感器；谐波检测；分子光谱；DFBLD；锁相放大器；虚拟仪器AbstractIn this paper, a new type of optical fiber methane gas detection system isdiscussed. According to the molecular structure of methane, the infrared absorption spectra of methane molecule are studied and the appropriate absorption peaks is selected. According

3、to the law of beer-lambert, a mathematical model of harmonic detection technology is established. It can lock wavelength in the gas absorption line center effectively, and can eliminate the errors of light intensity fluctuations caused by common mode noises.Working principle and advantages of DFBLD

4、as the light source is studied. And according to its characteristic, the drive and temperature control circuits are designed. The characteristics of photoelectric detectors are described. A series of signal detection circuits are designed, including sine wave generating circuit, multiplier circuit,

5、pre-amplifier circuit and filter circuit. The structure and working principle of digital lock-in amplifier is studied. Gas chamber and its coupling with fiber is analyzed. Finally the virtual oscilloscope is designed based on the LabVIEW.Keywords: Methane; Optical fiber sensors; Harmonic detection;

6、Molecular spectra; DFBLD; Lock-in amplifier; Virtual instrument第一章 绪论1.1课题背景和意义甲烷是化工、煤矿生产中引起瓦斯爆炸最直接的有害气体。甲烷是无色无臭的气体，且不溶于水，化学性质稳定，非常不易检测。甲烷在空气中的爆炸下限为5.3%，上限为15%，快速、准确检测甲烷气体的体积分数，对工矿安全运行，生产生活有着至关重要的作用。此外，我国许多城市使用甲烷作为生活用气。同时甲烷也被认为将成为温室效应的最主要成分，甲烷的吸收截面要比现在的主要温室气体二氧化碳的吸收截面高出大约23倍，大气中的甲烷浓度大约以每年1%1.2%的速度递增

7、。如何对矿井甲烷进行可靠、高效、实时监测，一直是矿业生产中的焦点问题，是能源、化工行业安全生产的重要保证，是生态环境保护的可靠手段。快速、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行监测、控制已经成为目前全世界亟待解决的首要问题之一。因此开发一种安全、可靠、灵敏度高的甲烷检测报警系统具有巨大的经济和社会意义。1.2 气体检测方法荧光吸收法、化学材料法、气相色谱法以及光谱吸收法是常见的气体检测方法。荧光吸收法是基于分子的荧光光谱和吸收光谱的能级跃迁机理，在特定频率的光的照射下，具有吸收光子能力的物质可以在瞬间发射出比激发光频率要低的荧光。气体分子由于受到激发光的照射后处于激发状态。处于激发状态的气体分

8、子非常不稳定，很快又回到基态，这时会发出荧光，通过检测荧光强度计算被测气体浓度。化学材料法的传感器机理是被测气体与敏感元件之间发生的相互作用从而使敏感元件的电阻和电容等物理性质发生改变。物理吸附和化学吸附是化学材料法的主要作用方式。气相色谱法是一种基于不同的气体在通过色谱柱时的速度差异原理的物理分离分析技术，实际上是利用不同物质在不同的两相中具有不同的分配系的性质，当两相的固定相和流动相进行相对运动的时候，这些物质在两相中反复进行多次的分配，就会分离那些分配系数仅有微小差异的组分，可以使不同组分的物质得到完全的分离。光谱吸收法是通过检测光波通过被测气体的时候产生光强的衰减，从而确定气体浓度的一

9、种方法。比尔与朗伯共同提出了：I=Iexp(cL) 式中：I为气体吸收后的透射光强度，I为未经气体吸收的入射光的光强，为气体分子的吸收系数，c为气体的浓度，L为光通过气体的长度。上式称为比尔朗伯(Beer-Lambert)定律，它表明了气体吸收量与吸收长度和气体浓度之间的关系。随着统计学和量子理论的发展，人们逐渐证明了它的准确性，大大促进了检测气体组分吸收特征谱的分光光度技术的发展。1.3光纤传感器光纤传感器的基本传感原理是：光纤将光源发出的光送入传感元件，被测物与光发生相互作用，光的强度、相位、偏振态和频率等参数发生改变，带有被测量信息的光再次通过光纤进入光探测器，通过检测光信息获得被测量的

10、参数。光纤传感器在未来必将得到更加广泛的应用。同时光纤传感器具有一般传感器不可比拟的的优点：(1)非接触式遥测能力。(2)化学性质稳定，耐曲、耐水、耐火、耐腐蚀，绝缘性能极好，抗电磁干扰。(3)灵敏度高。(4)体积小、直径细、重量轻、外形可变。光纤传感器可以制成形状可以适应各种情况的微型探头。(6)测量对象非常广泛。(7)易于组成光纤传感网络等。1.4 甲烷分子的结构及吸收谱线1.4.1甲烷分子的结构甲烷分子是球形陀螺(spherical top)结构，它具有两个以上高于三度的对称轴，且永电偶极矩总是沿着对称轴的方向，其分子的永电偶极距为零。1.4.2甲烷气体吸收谱线波长的选择甲烷气体在1.6

11、6m附近的吸收强度远大于在1.33m附近的吸收强度。所以本文选择1.66m波段，而且实验表明水蒸气、二氧化碳等在此波段无明显吸收，所以可在1.66m波段对甲烷气体进行测量。系统的最终目的是实现低浓度甲烷气体检测，系统的灵敏度是我们非常关心的问题。1.4.3谐波检测分析通过检测二次谐波可以获得气体浓度信息。一次谐波分量主要由强度调制引起，幅度大小正比于光源的平均功率，与气体浓度无关。用二次谐波和一次谐波的比值作为系统的输出，可以消除光源波动等共模噪声，并且具有更高的灵敏度，是一种较先进的气体浓度检测方法。第二章 光纤甲烷气体传感器的设计2.1引言光纤甲烷气体传感器是为了实现低浓度气体的高精度检测

12、。基本思路有三点：其一是对系统各部分的硬件电路进行优化设计，其二是提高敏感元件(吸收气室)的敏感度，其三是设计软件进行精确检测。2.2气体检测系统的整体设计以DFBLD为光源的吸收式光纤气体传感系统由光源、气室、光纤光路以及信号处理单元组成，其总体结构框图如图2-1所示。图2-1系统整体结构系统采用前后两面均发光的DFBLD，其中心波长为1.66m。激光器的后向激光进入参考气室，参考气室内含有浓度已知的甲烷气体。通过检测一次谐波作为反馈信号对激光器的温度进行控制，使其精确锁定波长于气体吸收峰上。图2-2谐波检测气体系统的原理图经过调制后的前向激光经光纤传输到测量气室，与甲烷气体相互作用，然后将

13、携带气体浓度信息的光信号传输到光电探测器，使其转换成电信号，并送入锁相放大器。检测出两个调制频率的一次和二次谐波分量。一次谐波分量主要由光强调制引起，幅值大小正比于光源的平均功率。二次谐波分量含有气体浓度信息。使用二次谐波与一次谐波的比值作为系统的输出，可以有效消除激光器的光强波动等共模噪声所带来的误差影响。再经过高灵敏度、低噪声的带通滤波电路，消除背景光的交流漂移和光电探测器的暗电流，并滤除信号中的高频和低频噪声。经过上述处理后的带有气体浓度的信号被送入A/D转换器后，转换成数字量并送入计算机进行处理、显示及打印。2.3 光源的选择发光二极管(LED)是一种冷光源，它根据半导体PN结自发发射

14、机理，通过注入PN结的电流进行自发的辐射，可以在没有热能转换的情况下直接把电能转换为光能，电致发光的特性使其具有很高的转换效率。半导体激光器又叫激光二极管(简称LD)，其发光是由能带之间的电子空穴对复合产生的。LD发射激光要满足以下三个条件：第一，要产生足够多的反转粒子数，必须使得N型半导体的导带能级与P型半导体价带能级的差大于欲得到频率光子的能量，这样产生的光子数就会大于损耗的光子数，即得到净剩光子。第二，要有可以产生光反馈作用的谐振腔，光子在谐振腔端面的每次反射都将会得一次增益。第三，要使得增益大于总的损耗，即满足阈值条件。LD的结构主要由可以产生受激发射光的高效的工作物质、构成光学反馈的

15、谐振腔和驱动电流三个部分组成。构成LD谐振腔的不是外加反射镜，而是半导体的晶体解理面本身形成的内反射腔。紧凑的结构使其避免了由于外加谐振腔而产生的机械不稳定性。LD的驱动电源所需的电流、电压小，操作起来方便安全，但是LD容易受到浪涌电流和电压的冲击而造成损坏。在光谱吸收式光纤气体检测系统中，光源的选取条件是光谱线窄、在动态条件下依然可以单纵模工作的LD。对LD的振荡模式进行选择反馈是得到单纵模、窄线的有效方法，通常选用光栅作为反馈元件。分布反馈激光器(DFBLD)是指分布反馈光栅在制造LD的过程中直接在LD有源层内的波导层上形成的LD。DFBLD具有良好的动态单模特性和静态稳定性。栅距周期决定

16、了DFBLD的发射光谱，每隔一个栅距周期形成一个微型的谐振腔。由于栅距周期较小，多个微型腔共同的选模作用，很容易设计成仅有一个模式且有足够增益的谐振。由于DFBLD的栅距周期相当于一个F腔的长度，布拉格反射可以有效增强谐振波长的选择性，使谱线变窄。光栅可以很容易使发射光的波长锁定在谐振波的波长上，大大改善了波长的稳定性。在恒定温度下，DFBLD可以精确地将激发光的中心波长对准被测气体的吸收峰。2.4 光源驱动电路及其温控电路设计2.4.1光源驱动电路设计通常设计DFBLD的驱动电路，需要满足以下要求： (1) 要保证LD的驱动电流具有很高的电流稳定度和很小的波动。(2) 要保证DFBLD输出功

17、率的稳定，驱动电源应该是一种稳定度高、可靠性高、输出功率大的恒定电流源。(3) 要保证工作温度的恒定，是保证DFBLD具有稳定的输出波长和输出功率的基础。(4) 要保证DFBLD的安全性要求。LD造价昂贵，极易损坏，必须使驱动电路保证DFBLD的安全可靠工作。DFBLD的中心波长和输出功率与注入电流有着紧密的关系。驱动电路为光源提供稳定而且可调的注入电流，可以用来稳定输出功率和中心波长，还可以有效保护DFBLD。DFBLD的基础驱动电路(如图2-3)为LD提供稳定的调制电流。采用稳流电源芯片LM334作为稳流基本元件。该芯片接成稳流电源形式具有很好的稳流效果，在-10+75，010 mA的范围

18、内可以保持1%的电流稳定度。图2-3 DFBLD的基础驱动电路调整电路的参数使得三极管Q1工作于可变电阻区，这样在未加入反馈环节时，调节可变电阻器就可调节激光器的注入电流，从而实现LD工作点的任意选择。为了达到稳流效果，负载电阻R4应该选用精密电阻。在电路调试和使用的过程中，应当注意与LD串接的电流表，使之不要超过LD的额定工作电流，电路中串接的二极管D3也起到保护LD的作用。在数字电流表的监视下，该电路的电流稳定度达到0.2%。图2-3所示的基础驱动电路可以达到较好的稳流效果。但是LD的输出光功率对注入电流非常敏感，就需要对电路采取进一步的措施来保证工作电流的长期稳定性，使稳流电路更具抗干扰

19、、抗漂移的能力。因此，在图2-3中的A与C之间接入一个二阶PI环节(如图2-4)，就可以使整个电路变成一个封闭随动环路。图2-4稳流反馈环节稳流反馈电路可以及时修正因干扰或者电路的漂移而造成的直流工作电流的波动。而对于正弦调制信号则是依赖其自身的稳定性，不属于该反馈环节的调节对象。图2-5直流信号通道图2-5中T1是PI环节中比例积分，T2是纯积分的时间常数，K0为比例系数。可得反馈环节的闭环传递函数：这是一个二阶系统传递函数，它的欠阻尼阶跃响应为：上式中，其中是阻尼系数，为闭环系统的固有角频率。根据二阶欠阻尼系统的调整时间的经验估算公式：选择阻尼系数，则有，那么根据的定义式有：，取，则有，设

20、，可推出，。由此可知它是一个I型系统，因此在阶跃输入条件下，其稳态误差为零。2.4.2 光源温控电路设计DFBLD是单纵模工作，由光腔内的分布反馈布拉格光栅提供其光反馈。而DFBLD的输出波长由布拉格光栅的周期与等效折射率决定，所以当温度发生变化时，光栅周期的几何尺寸的变化很小可以忽略不计，但等效折射率会发生近于线性的变化，从而导致DFBLD的输出波长随着温度的变化而变化。系统根据DFBLD内置热敏电阻的变化驱动制冷器工作，来保证DFBLD管芯的温度保持恒定，使DFBLD的输出功率和输出波长保持恒定。图2-6温度控制电路其原理是温度传感器(由热敏电阻组成)感受到温度的变化通过电路转变为电信号，

21、然后与设定好的温度相比较，偏差信号经控制调节电路处理后决定驱动制冷器的工作状态，从而使温度恒定在设定温度附近。热敏电阻用来测量DFBLD的温度，灵敏度较高。执行元件是模块中的制冷器，它是利用帕尔贴效应的半导体制冷器件。为了保护制冷器，防止因其电流过大而损坏，增加了限幅电路。2.5 光电探测器光电二极管、光电倍增管，它们都是利用光电导效应：即当光照射在某些半导体材料表面的时候，如果入射光的能量足够大，就能使材料的电子逸出表面，从而向外发射电子，我们把这种现象叫做外光电效应或者电子发射效应。一般情况下，这种器件的响应速度较快，只需要几个纳秒。但是逸出电子需要较多的光子能量，通常只适宜于近红外辐射或

22、者可见光范围内使用。光电探测器是光路和电路的衔接点，可以完成光电转换的功能，从而提供前置放大器的输入信号，所以它的性能和抗干扰能力对检测信号的影响十分明显。光电探测器采用深圳市兴博科技的的InGaAs PIN尾纤型光电探测器，型号为PD-75-SM-FC/APC。其线形化设计，平面结构，高可靠优质半导体芯片，100%电老化，三管脚纤细同轴尾纤结构，具有优越的光电性能，杰出的线性响应。 表3-1光电探测器的主要参数2.6 信号检测电路2.6.1 正弦波发生电路信号发生电路的采用双T正弦波发生器电路(如图2-7)，双T网络构成负反馈电路，当f0=1/2RC时，电路就具有带阻的特点，呈现的负反馈作用

23、最弱。因此，在由R1、R2构成正反馈网络的作用下，很容易产生这一频率的振荡。通过改变R或C的值，可以得到不同的f0值。 图2-7双T正弦波发生电路2.6.2 正弦波发生电路在锁相放大电路中要求提供调制频率及其倍频的同步参考信号。如图2-8所示为数字倍频电路。该电路由电压比较器、密勒积分器以及异或门组成。LM111(1)是电平比较器，由它构成整形电路，把上升时间长的波形(如正弦波)变成上升时间短的方波。其输出的方波经LM108和R4、C4组成的密勒积分器变换成三角波，然后再由电平比较器LM111(2)将三角波变成方波。LM111(1)与LM111(2)的输出方波之间有90度相位差，故通过异或门1

24、/4DM8286后得到倍频输出。输入频率范围为5kHz50kHz，输出频率范围为10kHz100kHz。图2-8倍频电路2.6.3 前置放大电路光探测器的前置放大电路的设计与选择是光探测系统的一个非常重要的问题。传输过来的微弱信号中，有用的信号淹没在噪声信号中，因此要根据输入信号的噪声特性来设计前置放大电路。实际电路使用了Analog Device公司的产品AD549作为运放。AD549是具有极低输入偏置电流的单片电路静电计型运算放大器。为达到高精度的目的，输入偏置电压和输入偏置电压漂移均通过激光调节。输入级具有的共模阻抗，其输入电流与共模电压无关。AD549适用于低输入电流和低输入偏置电压的

25、场合。它特别适合用作各种电流输出的传感器，如光电二极管、光电倍增管以及氧气传感器等的前置放大器。图2-8 光电二极管前置放大器图2-9 AD549引脚功能 2.6.4 滤波电路虽然与浓度相关的电压信号经过了前置放大器的初步处理，但是这个信号中的噪声含量依然很大，有用的信号依然被噪声所覆盖，而且电平很低。这时还不能直接使用锁相放大器，因为要得到足够高的信号输出，需要使用很大的增益，所以要先对信号进行滤波。应当采用带通滤波器，对前置放大器的输出信号进行带通滤波处理。带通滤波器可以被看做是低通滤波器和高通滤波器串联而成的，二者的滤波范围的交叉通带就提供了一个带通响应。图2-10为二阶压控电压源带通滤

26、波电路。图中R1、C1构成低通滤波网络，R2、C2构成高通滤波网络，带通滤波器就是二者串联而成。图2-10滤波电路式中R1=R3=1 K，R2=2 K，C1C20.1F，Q=1.5，由上述分析可知，有源带通滤波器的变化，既影响通带增益，又影响滤波特性，而中心角频率与通带增益无关。2.7 锁相放大器数字锁相放大器(简称DLIA)的相敏检波器(或同步解调器)是用数字信号处理的方式实现的。DLIA的结构包括：信号输入通道、参考输入通道、数字相敏检波器、正交数字相敏检波器、数字低通滤波器、输出通道、辅助输入通道、输出微处理器、辅助输出通道和微控制器部分。信号输入一般有三种方式：单端电压输入、差分电压输

27、入和电流输入方式。在被测信号为电压信号的情况下，最常用的是单端电压输入方式。假如共模干扰信号存在于信号中，就采用差分输入方式。 图2-11数字锁相放大器2.8 气室气室是激光光束与气体发生作用的部分，然后携带有气体浓度的信号送入检测电路，所以气室的设计尤为重要。气室的结构特点应是内壁光洁不吸收红外线，不吸附气体，化学性能稳定，不能与待测气体成分发生化学反应。气室通常可以分为两类：透射型气室和反射型气室。三种常见的气室结构如图2-12所示。透射型气室(图2-12(a)是由输入和输出两组透镜组合而成，总体结构比较大。从光纤中出射的光，经过输入透镜准直后变成平行光，穿过气室，经过另一端的透镜耦合到输

28、出光纤中。气室长度可从几公分到几十公分不等。反射型的气室的原理与之类似，如图2-12(b)。不同的是气室由一个透镜和一个平面反射镜组成，平行光经过平面反射镜反射回输入准直透镜，同时输入准直透镜可以起到输出透镜的作用。用一个光纤定向耦合器提取部分反射的信号光，来测量气体的浓度。这样的气室使光的有效吸收长度加倍，灵敏度有所增加。但是由于光纤定向耦合器将光信号分开，光功率不就能得到充分利用。假设光纤定向耦合图2-12气室结构图这两种气室涉及到光纤和分立光学元件的耦合问题，准直较复杂，温度稳定性、抗震性能差。进而在系统中设计了小型渐变折射率(GRIN)透镜气室，如图2-12(c)所示。GRIN透镜的直

29、径小，易于实现光学气室结构的小型化。其端面是平面或者斜面，便于光学加工。通过调整折射率分布的梯度、深度和透镜长度可以实现GRIN透镜焦距的调节。GRIN透镜光学成像的像差小，耦合而成的气室损耗小，易准直，温度稳定性、抗震性大大超过分立光学元件组成的气室，能够满足工程上光纤气体传感的需求。2.9 数据处理系统虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)是计算机技术与测试技术、仪器仪表技术紧密结合而成的一项全新的技术。虚拟仪器是由计算机硬件资源，模块化仪器和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。虚拟仪器以计算机硬件做依托，充分利

30、用计算机的运算、存储、回放、调用、显示等功能，在对传统仪器的功能软件化的同时，使其与计算有机地结合起来。1986年，NI公司正式推出了LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench)1.0，期间经过不断努力地改进，现在已经发展到拥有包括控制与仿真、高级数字信号处理、统计过程控制、模糊控制、PDA和PID等众多功能的虚拟仪器软件。他集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可

31、以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。可在WINDOWS、LINUX、UNIX等多种操作系统里运行，广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW已经成为目前应用最广泛、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境之一。图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。

32、使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。虚拟示波器是以虚拟仪器技术为基础，通过数据采集卡采集信号，利用计算机软件分析信号，来模拟示波器的操作和功能。图2-13是虚拟示波器的结构图。虚拟示波器由传感器，信号检测电路，数据采集卡，硬件驱动程序以及软件示波器组成。图2-13虚拟示波器的结构信号检测电路即为前面所设计的系列电路，可以接收气体浓度信号并将其转换为与之相对应的电信号，输出到数据采集卡中。数据采集系统是指基于PC计算机标准总线(如ISA、PCI、USB等)的数据采集功能模块。其充分利用计算机的资源，大大增强了测量系统的灵活性和扩展性。利用数据采集卡可以方便快捷地

33、实现虚拟仪器的“一机多用”。在性能上，随着A/D转换技术、信号调理技术的迅速发展，数据采集卡的采样速率可达Gb/s，精度可达24位，通道数高达64个，应且可以任意结合数字I/O、计数器/定时器等通道。各种性能的数据采集卡功能模块可在计算机上任意使用，配合软件技术，就可以构成一台具有众多功能的计算机。数据采集系统包括采集原始数据、分析数据等。信号经过多路开关在软件设定的采样频率下进行采集，并由可编程放大器放大，然后经过采样保持和ADC单元转化为数字信号。通过存储单元进入计算机显示缓冲区，最后利用软件把数据转化为相应的像素并在显示器上显示出波形。数据采集卡的存储单元有存储器和数据缓冲器。存储器按照

34、先进先出或者循环刷新的规则暂存数据。数据缓冲器寄存通过A/D转换出来的即时数据。I/O口及存储控制逻辑可完成I/O编码、定时计数、通信和控制等功能。使用前须对数据采集卡的硬件进行配置，并安装相应的硬件驱动程序。图2-14 数据采集卡工作原理硬件驱动程序接口负责接收信号和控制发送的功能。信道选择模块主要负责控制虚拟示波器采集卡的通道数。可以只由一个通道采集数据，也可以由2个通道同时采集数据触发控制模块设定了一些条件，可以使扫描信号与被测信号同步，并且把被测信号不断地与这些条件相比较，当且仅当被测信号满足这些条件时才启动扫描，使得扫描的频率与被测信号相同或者存在某种条件关系，才能达到同步。 图2-

35、15软件结构触发控制模块包括触发源和触发电平控制。时基控制对数据采集卡的采样参数进行控制。系统自检与初始化模块负责硬件故障诊断和端口初始化等功能52-53。数据采集模块是最为关键的一个程序模块，这个模块中应用程序会通过采集卡的驱动程序和硬件进行通信，要发出各种控制字、参量字到仪器中去，同时又要对硬件的工作状态进行判断和处理，然后读取采样值。数据处理模块通过对采集到的数据进行分析和运算，显示波形及其相关参数，可以通过外部设备保存打印。图216基于LabVIEW的虚拟示波器 第三章 论文总结本文对国内外光纤气体传感技术的现状和发展趋势进行充分研究的基础上，论述了分子的吸收光谱，结合了比尔朗伯定律和

36、谐波分析技术，应用渐变折射率透镜的气室，采用虚拟仪器技术，建立了一套以DFBLD为光源的检测系统，并对信号检测电路进行了详细的设计。具有光纤传输损耗低，抗电磁干扰，防燃防爆，灵敏度高，传感探头结构简单，灵敏度高，响应速度快等优点。本文的工作成果如下：(1)采用DFBLD作为光源，10 km长的光纤作为传输光纤的谱吸收式光纤甲烷检测系统。设计了DFBLD的光源驱动电路和温度控制电路可以实现对结温和注入电流的控制，可以有效地将DFBLD的中心波长对准气体的吸收峰，实现系统对气体浓度的高精度检测。(2)研究了分子的吸收谱带和吸收机理，从而能够更好的选择吸收峰。根据比尔朗伯定律，建立了一套谐波检测气体

37、浓度的数学模型。设计了一套以锁相放大技术为核心的微弱信号检测系统，其包含正弦波发生电路、倍频电路、前置放大电路和滤波电路。(3)利用LabVIEW软件建立了以虚拟仪器为基础的虚拟示波器。数据采集卡可以将锁相放大器的信号采集并转化为数字信号传输到计算机中，通过设计信号通道，采样频率，出发控制，时基控制对虚拟示波器进行设置，可以有效地检测气体浓度的信息。参考文献1王艳菊,王玉田,张玉燕.差分吸收式甲烷气体传感系统的研究.仪器仪表学报,2006,27(12):1647-16502 吴希军,王玉田,刘海龙等.一种新型光纤布拉格光栅气体泄露检测传感器.传感技术学报,2008,21(8):1348-135

38、0.3 王玉田,王聪,刘学才.甲烷气体检测系统的设计.传感器与微系统,2007,26(10):78-80. 4 苏辉,黄旭光,邬怡婷.强度调制型光纤折射率传感器的设计与研究.光子学报,37(4):713-715 5 赵勇.光纤传感原理与应用技术.北京:清华大学出版社.2007:5-266 孟宗.透射式光纤甲烷气体监测系统的研究.仪器仪表学报,2005,26(8):49-507 张志伟,张记龙,李晓,张悦.差分红外型甲烷浓度光纤网络传感系统的研究.中北大学学报,2006,27(4):344-347.8 周游,刘永志.利用光纤甲烷气体传感器实现井下气体的分布式测量.仪表技术与传感器,2008,7:

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