基于Sagnac效应的新型腔衰荡气体浓度测量系统

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石油化工、矿山开采、能源开发、生物工程等过程中产生的有毒有害、易燃易爆气体严重影响了大气环境质量,威胁人类生存和削弱了可持续发展的能力。因此,对这些气体进行实时检测具有十分重要的意义。传统的气体浓度测量方法在一定程度上能满足目前实际应用中气体监测的基本需求,但这些测量方法的检测精度比较低,已经不能满足当前的需要。本论文针对这一问题设计了一种高精度气体浓度测量系统。具体内容包括:  首先,对气体吸收原理、腔衰荡测量技术原理、谐振腔的多光束干涉原理以及CRDS的灵敏度计算进行理论研究和分析。  其次,提出了一种新型的连续波腔衰荡微量气体浓度测量系统。系统中利用环形光路的Sagnac效应,将光纤环作为一个等效反射镜,与高反射率镜形成衰荡腔,实现衰荡腔的反射率可调。在此基础上,对环形光路Sagnac效应和腔衰荡测量技术原理进行理论分析及推导,得到连续波腔衰荡微量气体浓度测量公式以及光纤环转速对微量气体浓度测量系统的影响。  最后,通过实验仿真得到反射率与光纤环路转速、反射率与腔衰荡曲线关系图和不同光开启时间和关断时间下的腔出射光强度,并通过实验测得不同浓度的2CO衰荡时间,得到当气体浓度越高吸收能力越强,衰荡时间越短的结论,验证了本系统的有效性。针对系统中外部环境和光电探测器带来的噪声,设计了数学形态学滤波器滤除噪声,效果比较理想。  结果表明,该测量系统的研究方法和思路对实际应用中气体浓度的测量有一定的参考价值。
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