光谱吸收式光纤甲烷气体传感器及其信号处理方法
第３３卷第１期光电工程Ｖ０１．３３，ＮＯ．１２００６年１月Ｏｐｔｏ—ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＪａｎ．２００６
文章编号：１００３—５０１Ｘ（２００６）０１—０１１２—０４
光谱吸收式光纤甲烷气体传感器
及其信号处理方法
王书涛，车仁生
（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）摘要：基于气体在其特征吸收波长下光的吸收随浓度变化的机理，通过对甲烷气体吸收光谱的分析，提出了一种光谱吸收式全光纤甲烷气体传感器及其系统。该系统以１３００ｈｍ波段的ＤＦＢＬＤ作为光源，波长响应范围为１１００～１９００ｎｍ的高灵敏度、低噪声的ＩｎＧａＡｓＰｌＮ作为光电探测器，利用锁相放大器对传输信号进行相敏检波，采用一次谐波反馈光源注入电流、二次谐波与一次谐波的比值作为系统输出的谐波检测技术对微弱信号进行处理，使得系统达到很高的灵敏度。研究表明，该传感器的灵敏度达到１０ｐｐｍ，精确度和稳定性等性能指标均可满足甲烷气体检测要求。
关键词：光纤传感器；气体传感器；谐波检测；甲烷；信号处理
中图分类号：ＴＰ２１２文献标识码：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｍｅｔｈａｎｅｇａｓｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈｓｐｅｃｔｒｕｍａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ
ａｎｄｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄ
ＷＡＮＧＳｈｕ－ｔａｏ，ＣＨＥ
Ｒｅｎ－ｓｈｅｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｇａｓａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｔｏｌｉｇｈｔｖａｒｙｉｎｇｗｉｔｈｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｍｅｔｈａｎｅ，ａｎｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｍｅｔｈａｎｅｇａｓｓｅｎｓｏｒａｎｄａｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍａｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ，ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇｏｆａｎｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｓｏｕｒｃｅＤＦＢＬＤｉｎ１３００ｎｍｗａｖｅｂａｎｄ，ａｎＩｎＧａＡｓＰＩＮｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｉｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｈｉｇｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎｄｌｏｗｎｏｉｓｅｗｉｔｈｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｒｅｓｐｏｎｓｅｒａｎｇｅｌ１００～１９００ｎｍ，ｍａｋｅｓｕｓｅｏｆａｐｈａｓｅｌｏｃｋａｍｐｌｉｆｉｅｒｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｐｈａｓｅ
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｆｒｏｍｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ
ｓｉｇｎａｌｓ．Ｂｙｍａｋｉｎｇｔｈｅｐｒｉｍａｒｙ－ｈａｒｍｏｎｉｃｔｏｆｅｅｄｂａｃｋｉｌｌｕｍｉｎａｎｔｉｎｊｅｃｔｉｏｎｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｔｈｅｐｒｉｍａｒｙａｎｄｓｅｃｏｎｄ—ｈａｒｍｏｎｉｃａｓｓｙｓｔｅｍｏｕｔｐｕｔｔｏｐｒｏｃｅｓｓｗｅａｋｓｉｇｎａｌｓ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｆｅａｔｕｒｅｓａｓｈｉｇｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ａｓ１０ｐｐｍ．Ｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｃａｎｍｅｅｔｐｒａｃｔｉｃａｌｄｅｍａｎｄｓｆｏｒｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｍｅｔｈａｎｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓｅｎｓｏｒ；Ｇａｓｓｅｎｓｏｒ；Ｈａｒｍｏｎｉｃｗａｖｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；Ｍｅｔｈａｎｅ；Ｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
己ｌ言
Ｊｌ口
甲烷是矿井、工业领域和城市煤气中的爆炸成分，对周围环境中的ＣＨ４气体进行早期安全检测是十分必要的。研制甲烷气体检测系统已成为气体检测领域的一个重要课题和研究方向。
由于光纤气体传感器具有传输功率损耗小，传输信息容量大，抗电磁干扰能力强，且耐高温、高压、
收稿日期：２００５－０２－１６；收到修改稿日期：２００５－０９－２３
基金项目：黑龙江省自然科学基金项Ｉ；ｌ（Ｆ０３０２）
作者简介：王书涛（１９７８一），男（汉族），辽宁本溪人，哈尔滨工业大学仪器科学与技术学科在读博士，主要研究工作是光纤传感。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｓｈｕ＿ｔａｏ＠ｖｉｐｔｏｍｃｏｒｎ
２００６年１月王书涛等：光谱吸收式光纤甲烷气体传感器及其信号处理方法１１３腐蚀、绝缘、阻燃防爆，易于实现远距离实时遥测和良好的气体选择性等优点，吸引了众多科技工作者从事这方面的研究ｌｌ“Ｊ。
许多种气体在红外波段有本征吸收，在近红外和可见波段有较弱的泛频吸收线。硅光纤的低损耗窗口的波长覆盖了０．８－１．７岬范围，在这一波段发光器件和接收器件都是比较理想的光电转换器件。因此光纤气体传感器可以用于环境检测、过程控制，尤其是在恶劣环境下的在线、连续监测方面发挥着重要作用。
工作于室温的半导体激光器ＬＤ和发光二极管ＬＥＤ发射波长与光线的三个低损耗窗口相一致，也与许多环境和工业气体的泛频和复合吸收谱线相～致。但由于吸收谱宽仅为几个纳米，一般用于气体探测的发光二极管的带宽为２０－１００ｎｍ，气体吸收仅占光源光强的几千分之一，比光源光强变化的噪声还要小，测量灵敏度不高。甲烷气体的倍频（２ｖ３）ａｎ复合频（ｖ２＋２Ｖ３）分别位于１．６ｐｍ和１．３１．ｔｍ附近，在石英的低损耗区，光源技术也相对成熟，是目前技术条件下的最佳选择。本文采用１．３１ａｍ波段的ＬＥＤ做光源，利用信号处理的二次谐波测量，显著提高了测量灵敏度，改善了稳定性。
１光谱吸收检测原理
根据比尔一朗伯定律，有
，＝，。ｅｘｐ（一ａＬＣ）（１）式中，为光通过介质吸收后的透射光强；，ｏ为入射到介质的光强；妫摩尔分子吸收系数；Ｃ是介质的浓度；￡则是光通过介质的浓度。
如果激光器的中心波长和气体吸收峰中心波长对准，则通过测量光经过气体时的损耗就可以检测气体的浓度。由于气体的吸收峰很窄，光源波长随环境（温度）的漂移将引起光源中心波长偏离气体吸收峰中心波长，引起吸收系数随温度变化，因而也导致测量的不稳定。实用中需要将光源波长精确地稳定在气体吸收峰中心波长上，波长的稳定可用光源频率调制和附加参考气室的方法来实现。
经过波长锁定后，激光器输出为一正弦调频的光，其中心频率和气体吸收峰中心对准。由于气体的吸收特性，光经过气体后，频率调制转化为强度调制，其幅度的大小正比于吸收峰的高度，也就正比于气体的浓度。一次谐波为零，二次谐波的幅度可用于测量气体的浓度。
所谓窄带光源就是在考虑光源光波的谱分布和气体分子的吸收线型时，光源谱分布带宽观，与气体吸收线带宽泓相比满足矾，＜＜觑。光通过气体时，准单色光波场与气体分子相互作用，可将单色辐射能量密度厦办凡）表示为巧的函数形式，即有
ｐ（旯）＝ｐ０６（２一九，）（２）式中砧为光波场的中心波长。
根据ｄ函数的性质有Ｅｐ（五）ｄ丑＝仁风万（ｚ一２０，）ｄ五＝Ｐｏ（３）根据比尔一朗伯定律，有１（２０）＝仁ｐ（２）ｅｘｐ｛－ｋｇ（旯一２０）ＣＬＢｄ２（４）在近红外波段，气体的吸收系数很小，满足口。ｇ（旯一２０）ＬＣ＋∥（五）＜＜１，因而式（３）变为
』（厶）＝ｆ：ｐ（五）｛ｌ—ｋ。ｇ（力一厶）ＣＬ｝ｄ２（５）当光源的输出光波长被一正弦波调制时，即缸满足
ａｏ，＝２ｄ。＋６ｓｉｎｃｏｔ（６）式中九。为光源静态波长；万称为调制深度。令Ａ２＝凡Ｃ－－２０，即△旯为线谱光源静态工作波长与气体吸收谱线中心波长的差，考虑到反Ｄ的函数形式，则式（４）可写为
，（九）＝Ｐｏ—ＰｏＬＣａｏｇ（Ａ２＋万ｓｉｎｃｏｔ）（７）当光源中心波长与气体吸收线中心对齐，耳ＵＡＡ＝Ｏ时，式（６）可写为
』（九）＝Ｐｏ—ＰｏＬＣｏｔｏｇ（ｄｓｉｎｃｏｔ）（８）由于气体吸收线型函数ｇ始终为偶函数，因此对式（７）进行傅里叶展开可知，除了直流含量外，只有偶
１１４光电工程第３３卷第１期次谐波，而一次谐波含量为零，二次谐波是各次谐波中最强的谐波。检测二次谐波可以得到浓度信息。利用一次谐波作为误差信号，光源波长就能精确锁定在气体吸收峰上。
对于ＤＦＢ半导体激光器，最方便的频率调制方法是调制激光器的注入电流，但电流的调制也将引起激光器输出光强的调制，这意味着即使光源的中心波长和吸收峰的中心波长对准，一次谐波也将不为零。换句话说，利用一次谐波作为误差信号，光源波长并不能精确地锁定在吸收峰上，必须根据注入电流调制的解析分析，进行偏差补偿。当激光器的注入电流以ｍｉｏｓｉｎｒｏｔ调制时，导致输出光功率的调制，由式（２）得
ｐ（Ａ）＝ｐｏ万（五一九，）（１＋ｍｓｉｎｒｏｔ）（９）
九，＝九。＋ｎｍｐｏｓｉｎｒｏｔ（１０）式中础为光源直流偏置南时光源的输出波长。
在实际测量中，一次谐波为一常值偏差，偏差大小取决于光强调制幅度的大小。解决这一问题的方法是在检测到的一次谐波中引入一个和强度调制等值反号的信号，进行偏差补偿，补偿后的信号经过积分，用于反馈控制激光器中心波长，中心波长的确定可以通过调节激光器注入电流的方法来实现。
２光谱吸收式光纤甲烷传感系统
光谱吸收式光纤甲烷传感系统的总体框图如图ｌ所示。系统采用１３００ｎｍ波段的ＤＦＢＬＤ（分布反馈式半导体激光器）作为光源，其光谱宽度Ａ２９ｌｎｍ，输出光功率＞ｌｍＷ，短期稳定度（ｄＢ／１５ｍｉｎ）年Ｎ长期稳定度（ｄＢ／ｇｈ）分别为±ｏ．００５和±ｏ．０３。该ＤＦＢＬＤ采用稳频措施前后两面均发射激光，利用后向激光穿过参考气室，检测一次谐波信号，精确锁定激光器中心波长于气体吸收峰上。用低损石英光纤作远距离光源与信号传输通道，光源采用低功率脉冲调谐分布反馈式半导体ＬＤ，利用多次反射取样吸收气室保证测量灵敏度。采用低噪声、高灵敏度的ＩｎＧａＡｓＰＩＮ光电二极管作为光电探测器，其波长响应范围为ｌｌＯＯｎｍ－１９００ｎｍ，可以满足甲烷气体检测的要求。锁相放大器作为信号处理单元的核心器件，可以有效抑制噪声，提高信噪比，得到很高的灵敏度。用锁
相放大器检测基频和倍频
信号，通过基频信号对驱
动电路的反馈使基频信号
为零。通过测量直流和二
次谐波信号，经计算机控
制、数据采集、处理、存
储与通讯，显示出甲烷气
体的浓度。系统采用把光
纤传感技术和计算机数据
处理技术相结合的技术实施方案。集传感光信号和
图ｌ光纤甲烷监测系统框图
Ｆｉｇ．ＩＯｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｍｅｔｈａｎｅｄｅｔｅｃｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ
咽
激发光功率传输与被测量传感为一体，充分发挥光纤系统、微电子电路与计算机兼容的优势，使整个测量系统达到光、机、电一体化，多参数和多功能。
３实验与结果分析
实验中选择气室长度Ｌ为５０ｃｍ，气室有进气孔、出气孔，进气孔通过针阀控制注入气室的气体流量，出气孔接有真空泵，可使气室抽真空。光纤长度１００ｍ，内径ｌＯＯｐｍ，其在１．３～１．５ｐｍ波长范围内的传输损耗低于１ｄＢ／ｋｍ。锁相放大器的积分时间为５ｓ。二次谐波锁定放大器的输出和直流分量经除法器后由Ａ／Ｄ转换送入单片机系统，经数据处理后由ＬＣＤ显示检测结果。采用不同浓度的甲烷标准气体（填充气体为氮气）分别注入气室中，进行测量，实验数据见表ｌ。
在甲烷气体浓度为０．１０％时，测量二次谐波锁相放大后的输出信号。以光电检测时电流．电压转换中的
２００６年１月王书涛等：光谱吸收式光纤甲烷气体传感器及其信号处理方法１１５
前置放大器为主要噪声电压源，根据锁相放大器的带宽，可以推算出经甲烷气体吸收后其信噪比Ｓ／Ｎ约为１１０，按锁相放大器为ｌ时看作是检测的极限，那么该系统的检测灵敏度约为１０ｐｐｍ。
用纯净的Ｎ２和５％的标准甲烷气体，测量系统的零点和测量范围上限后，依次注入浓度在其间的标准气体，记录通入后的实际示值，进行系统的示值比对实验，实验结果如表２所示。根据表２的比对结果，计算示值相对误差Ａ
爿＝竿×１０。％（１１）
式中Ｃ掰为系统显示值，ｅ为标准气体浓度，只为量程。可知系统的示值相对误差为０．１％。
调整好系统的零点和上限点，然后把１％的标准甲烷气体注入气室，将示值稳定后，记录示值。连续运行１２小时，每一小时作为时间间隔注入标准气体，分另Ⅱ记录仪表显示值，进行系统的稳定度测试，实验结果如表３所示。
表１实验数据
Ｔａｂｌｅ１Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ
Ｉｎｐｕｔｖａｌｕｅ／。／．０００
０１０Ｏ３０Ｏ．５０１００１５０３００Ｍｅａｓｕｍｄｖａｌｕｅ／％０．ＯＯ００９０３１０４８１０３Ｉ５５３１３
表２系统比对实验数据
Ｔａｂｌｅ２Ｓｙｓｔｅｍｃｏｎｔｒａｓｔｔｏｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ
表３稳定度测试实验数据
Ｔａｂｌｅ３Ｓｔａｂｉｌｉｔｙｔｅｓｔｄａｔａ
ｌ
ｌ００ｌ
７
１００５
ｌ００３
８
０９９７
３
ｌ００４
９
ｌ００ｌ
４
０９９８
ｌＯ
０９９６
５
１００２
ＩＩ
１．ＯＯｌ
６
０９９９
１２
０９９８Ｄｉｓｐｌａｙ（％）
Ｔｉｍｅ（％）
Ｄｉｓｐｌａｙ（％）
以上的实验数据表明，系统的灵敏度、稳定性等性能指标都达到了气体测量的要求。
４结论
理论与实验表明，本文论述的光谱吸收式光纤甲烷气体传感器可用于对甲烷气体的检测。系统采用１３００ｎｍ波段ＤＦＢＬＤ作为光源，低损耗的石英光纤作为信号传输通道，并选用高灵敏度低噪声的ＰＩＮ光电二极管作为光电探测器件，锁相放大器用于对传输信号的相敏检波，可有效抑制系统噪声和各类同性干扰，系统的灵敏度可达到１０ｐｐｍ。采用谐波检测技术和差分吸收检测原理，使得传感器对环境光量变化、暗电流噪声、温度漂移的干扰均有一定的抑制作用。通过实验可以得到二次谐波信号最大值对应的调制幅度值，即调制幅度的最佳值。由于不同气体的吸收谱线的谱间隔不同，位置也不同，因此不会与其他气体（如Ｃ２Ｈ２，ＮＨ３，Ｈｚ０等）产生交叉灵敏度问题，保证测量的唯一性。利用长距离近红外低损耗石英光纤做激发光传输和信号传输媒介，采用扩展多路复用技术，可实现环境气体的在线连续监测以及遥测。进一步研究系统的反馈技术、光源的稳定技术等对系统灵敏度的影响，可使该系统具有更高的稳定性和可靠性。
参考文献：
【ｌ】ＫＩＮＰＵＩＣ，ＨＩＲＯＭＡＳＡＩ，ＨＵＭＩＯＩ．Ｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｎｅａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆＣＨ４ｇａｓｕｓｉｎｇｌｏｗ－ｌｏｓｓｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｌｉｎｋｔＪ］．Ａｐｐｌｉｅｄｏｐｔｉｃｓ，１９８４，２３（１９１：３４１５－３４１９．
【２】ＤＵＢＡＮＩＥＴＨ，ＣＨＩＬＴＯＮＪＥ，ＤＯＢＲＯＳＫＩＨＪｒ．Ｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｆｏｒａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｍｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１９９３，２９（４）：７４９—７５３．
［３１ＣＵＬＳＨＡＷＢ，ＳＴＥＷＡＲＴＧ，ＤＯＮＧＦ，ｅｔａ１．Ｆｉｂｒｅｏｐｔｉｃｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｆｏｒｒｅｍｏｔｅｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃｍｅｔｈａｎｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｆｒｏｍｃｏｎｃｅｐｔｔｏｓｙｓｔｅｍｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄａｃｔｕａｔｏｒｓＢ：ｃｈｅｍｉｃａｌ，１９９８，５１（１－３）：２５—３７．
【４】刘泉，林海燕．光纤乙炔气题监测系统的研究［Ｊ】．传感器扰术，２００３，２２（４）：１５—１７．
ＬＩＵＱｕａｎ，ＬＩＮＨａｉ－ｙａｎ．Ｓｔｕｄｙｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｆａｃｅｔｙｌｅｎｅｇａｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｒａｎｓｄｕｃｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３，２２（４）：１５—１７．
【５】叶险峰，汤伟中．ＣＨ４气体传感器的研究［Ｊ】．半导体光电，２０００，２ｌ（３）：２１８—２２０．
ＹＥＸｉａｎ－ｚｈｏｎｇ，ＴＡＮＧＷｅｉ－ｚｈｏｎｇ．Ａｆｉｂｅｒ－ｏｐｔｉｃｇａｓｓｅｎｓｏｒｆｏｒｍｅｔｈａｎｅ［Ｊ］．Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｏｐｔｐｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０００，２ｌ（３）：２ｆ８－２２０
光谱吸收式光纤甲烷气体传感器及其信号处理方法
作者：王书涛， 车仁生， WANG Shu-tao， CHE Ren-sheng
作者单位：哈尔滨工业大学,电气工程及自动化学院,黑龙江,哈尔滨,150001
刊名：
光电工程
英文刊名：OPTO-ELECTRONIC ENGINEERING
年，卷(期)：2006，33(1)
被引用次数：10次
参考文献(5条)
1.KINPUI C.HIROMASA I.HUMIO I Remote sensing system for near-infrared differentialAbsorption of CH4 gas using low-loss optical fiber link 1984(19)
2.DUBANIE T H.CHILTON J E.DOBROSKI H Jr Fiber optics for atmosphere mine monitoring 1993(04)
3.CULSHAW B.STEWART G.DONG F Fibre optic techniques for remote spectroscopic methane detection from concept to system realization 1998(1-3)
4.刘泉.林海燕光纤乙炔气题监测系统的研究[期刊论文]-传感器技术 2003(04)
5.叶险峰.汤伟中CH4气体传感器的研究[期刊论文]-半导体光电 2000(03)
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论文设计制作了SAW高温氧气传感器，制作了用于SAW气体传感器的双通道高频振荡电路。并进行了实验，取得理论与实验基本相符合的研究结论通过本文工作，建立了可以适用于不同偏载条件的较为完整的SAW氧气传感器敏感单元优化设计理论，基于MATLAB开发了高效的用于求解SAW一般问题及偏载扰动问题的完整软件包，解决了SAW的快速求解问题，针对气体传感器的层状结构，对石英晶体在多个切向上进行了计算，选择出了适合SAW高温气体传感器使用的优化切向，设计制作了SAW高温气体传感器并进行了实验验证，取得理论与实验较为吻合的研究结果。论文中的理论和实践工作，不仅对SAW气体传感器设计和制作有直接的指导意义和参考价值，为SAW高温气体传感器的进一步完善和实用化打下了良好基础，而且对于其它类型SAW器件的设计也有较大的参考价值。
7.期刊论文郭铁梁光纤气体传感技术及其应用-煤矿机械2004,""(4)
介绍了光纤传感器的分类,包括传光型和传感型.光纤传感器的特点,包括抗电磁干扰、灵敏度高、重量轻、体积小等.介绍了光纤传感器的工作原理以及光纤气体传感器的应用.
8.会议论文叶玮琳.王一丁谐波检测在光纤气体传感器中的应用2009
利用光纤气体传感器测量痕量气体浓度时易受外界影响而导致精确度不高，可采用谐波检测法以减少误差，鉴于此本文详细介绍了谐波检测在光纤气体传感器中的应用。首先基于比尔朗伯定律，导出了波长调制后输出电信号功率、一次谐波与二次谐波系数的表达式。其次详细介绍了各研究机构对光纤气体传感器的研究进展，最后对其发展做了展望。
9.期刊论文陈红丽.李国辉.陈尧生.徐得名.Chen Hongli.Li Guohui.Chen Yaosheng.Xu Deming甲烷光纤气体传
感器的实验研究-光子学报2000,29(6)
本文首先对甲烷气体传感器的工作原理进行了较详细的分析,并在实验中论证了方案的可行性,比较了它优于传统传感器的特点,最后文中从理论上分析了该传感器的最小可探测压强.
10.期刊论文吴兵兵.吕壶.戴基智.刘华东.代志勇.刘永智.WU Bing-bing.L(U) Yao.DAI Ji-zhi.LIU Hua-dong.
DAI Zhi-yong.LIU Yong-zhi光纤气体传感检测技术研究-激光与红外2009,39(7)
光谱吸收型光纤气体传感器可以实现对气体的准确、快速、高灵敏度的检测,结合原理和典型系统综述了五种检测方法,其中单波长光谱吸收检测、差分检测、谐波检测技术发展得比较成熟,并且开始应用在石油化工等领域,而光腔衰荡光谱技术(CRDS)和有源腔气体检测技术是近几年刚兴起的新技术,具有实际吸收光程长,检测精度不受光源强度及其变化影响的特性,是很有发展潜力的光谱吸收检测技术.
引证文献(10条)
1.贾大功.刘琨.井文才.汪(讌).张红霞.张以谟基于环腔光纤激光器的气体检测方法[期刊论文]-中国激光
2009(9)
2.ZHOU Meng-ran.LI Zhen-bi.ZHONG Ming-yu.HE Gang The intensity calculation of the gas absorption line by multi-line Voigt fitting[期刊论文]-中国煤炭（英文版） 2008(4)
3.ZHOU Meng-ran.LI Zhen-bi.ZHONG Ming-yu.HE Gang The intensity calculation of the gas absorption line by multi-line Voigt fitting[期刊论文]-煤炭学报(英文版) 2008(4)
4.褚衍平.张景超.管立君光纤甲烷气体传感器的研究[期刊论文]-激光与红外 2008(7)
5.李筱熠.官洪运基于光功率检测的瓦斯浓度检测系统[期刊论文]-光纤与电缆及其应用技术 2008(2)
6.张景超.管立君.肖长江.褚衍平基于谐波检测原理的双光路CH4检测研究[期刊论文]-光电子·激光 2007(12)
7.吴琼.吴善波.刘先勇.袁长迎新型光纤传感器的设计及其特性研究[期刊论文]-仪表技术与传感器 2007(11)
8.ZHOU Meng-ran.LI Zhen-bi Research on the sensitivity for the coal mine gas concentration detection by laser spectrum absorption[期刊论文]-煤炭学报（英文版） 2007(3)
9.周孟然.李振璧.朱宗玖分布式光纤传感瓦斯气体系统的研究[期刊论文]-中国安全科学学报 2007(8)
10.周孟然.李振璧.朱宗玖基于光谱吸收的煤矿瓦斯光纤传感气体的研究[期刊论文]-煤矿安全 2007(8)
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