反射式光纤氢气传感器信号处理模块的设计与实现.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 反射式光纤氢气传感器信号处理模块的设计与实现 姓名：陈昀昊 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：张冈;陈幼平 20090520 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 I 摘摘 要要 现代科技和工业的发展，对氢气传感器的成本、稳定性和使用范围提出了更多，更 高的要求与此同时随着光纤传感技术的发展，光纤传感器以其无可比拟的优势应用到 各个方面为此在查阅了大量的相关资料，尤其是国内外氢气光纤传感器的现状和发展 的基础上，本文论述了一种低成本，高精度的反射式氢气光纤传感器的研制本文在给 出了传感器的总体结构设计后，就信号调制模块，信号接收模块，信号调理模块，反馈 模块和数据采集模块分别做了介绍 本文从进一步提高传感器的精度和降低成本入手，对光纤传感器进行了深入的研 究 通常传感器精度主要由敏感器件， 传感器结构， 消除噪声的算法和电路设计所决定 为了更进一步的提高氢气传感器精度，本论文力图建立全闭环反馈系统来抑制噪声干 扰闭环反馈模块设计完成后，需要对LED的输入电压就行有效的控制对于光强输出 信号， 本系统需要进行有效的调制以便进行相关的信号处理算法。

对于后续的数据采集， 通过滤波及曲线拟合来保证传感器的精度这样使整个系统的结构更加合理，设计更加 灵活，同时降低了成本 为了验证效果，对本文中所设计的部分做了实测，并给出了相关的参数试验结果 表明本文中的设计达到了预期的要求 关键词：关键词：光纤 氢气传感器 反射 微弱信号处理 反馈 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 II Abstract With the development of modern science and industry, higher and more requirement is needed as to the cost ,the stability and the use range of the hydrogen sensor, meanwhile with the development of optical fiber Sensing technology, it is applied in various field. Therefore, on consulting a large number of related documents, especially base on the current situation and development of the hydrogen optical fiber sensor, this dissertation discuss the design of a kind of reflective hydrogen optical fiber sensor which has the characteristics of low cost, high precision. This dissertation initially discuss the design of the sensor’s general structure, then five modules such as signal modulation module, signal receiving module, signal transform module, feedback module and signal collect module are introduced respectively. This dissertation which aims to improve the accuracy of the sensor and cut down its cost has a further research on the sensor. Generally the fiber sensor’s precision is mainly decided by the components, the sensor’s structure, the algorithm of eliminating noise and the design of software and hardware. In order to improve the accuracy of the hydrogen sensor, the dissertation seeks to establish a full closed-loop feedback system to restrain noise. After the module is finished, the input voltage of the LED is needed to be controlled effectively. As to the output signal of the light intensity, it is needed to be modulated so as to carry out related signal process algorithm. For the subsequent design of data collection system, we assure the sensor’s accuracy by filtering and curve fitting. As a result of the above, the whole system will be more reasonable and more flexible and also reduce the cost. In order to verify the effect, we test the designed modules in this dissertation and obtain the relevant parameter. The result of the experiment manifest that the design meets the expected requirements. Keywords: Fiber hydrogen sensor weak signal processing feedback reflection 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 III 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽 我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权华中科技大 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文 本论文属于 (请在以上方框内打“√”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密□，在 年解密后适用本授权书 不保密□ 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 1 概 论 1 概 论 1.1 课题来源、目的及意义课题来源、目的及意义 1.1.1 课题的来源课题的来源 本研究课题来源于以下项目： （1）湖北省杰出青年基金项目“嵌入式网络化智能传感器研究嵌入式网络化智能传感器研究” （编号： 2005ABB007） ； （2） 湖北省科技攻关项目“基于窄带光谱吸收的嵌入式光纤气体传感器基于窄带光谱吸收的嵌入式光纤气体传感器”（编号： 2007AA101C02） ； 1.1.2 氢气传感器研究的目的与意义氢气传感器研究的目的与意义 现代社会的能源主要依靠石油、天然气和煤。

使用这些燃料，尤其是燃煤，会造成 空气污染在地球上，常用的上述能源的总量是有限的，如果按现在的产量一直开采下 去，很快这些资源会趋于枯竭[1]与此同时，在使用这些燃料时会向大气中排入二氧化 碳和含氮类气体二氧化碳属于温室气体，其大量的排放已引起全球气候变暖等一系列 严重问题，直接小范围的改变了很多地区的气候含氮类的气体会产生光化学污染，有 些甚至破坏臭氧层，这些都对开发新兴能源提出了要求 相比之下氢能源能够很有效的解决上述问题： 氢气的密度小， 燃烧时产生的热量大， 其能量与质量的特性好；氢气燃烧后生成的产物是水，无污染；氢气的制造原料可以是 水，资源丰富，气体的输送可以采取管道传送；目前，发达国家已普遍研究在海水中利 用太阳能和海洋生物大规模生产氢气这一课题作为理想高能燃料的液氢，目前已在火 箭运载、航天飞机、导弹、燃料汽车等方面应用 在作战状态下，潜艇一般在水下运行数天甚至数十天，其环境问题会直接危害潜艇 人员的身体，甚至危及生命随着新型动力的采用，潜艇的水下时间，航行速度，续航 能力大大增强， 与此同时潜艇的舒适程度和环境的污染已经成为限制潜艇战斗力的重要 因素在火箭运载中，氢气的泄漏很有可能导致火箭飞行过程中发生爆炸。

通常，液态 燃料在发射前要进行较长时间的预热，这些都增加了发生危险的可能 氢气研究项目包括氢气生产、贮存、运输和氢气的安全性等方面其中氢气的安全 性就是指氢气在开发和使用中为确保人身财产安全而采取的措施， 氢气的传感检测在确 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 保氢气安全性措施中至关重要 众所周知， 氢分子体积最小， 常温常压下其密度也最小， 在存贮的过程中由于其原子体积的过小而很容易发生泄漏情况在常温常压下，当氢气 泄漏到空气中浓度达到 4%~74.5%时，混合气体处于可爆炸状态，遇到明火时就会发生 爆炸 因此， 研制能探测氢气爆炸下限范围内的浓度变化的氢气传感器就显得尤为重要 目前，国家已经开始初步的对氢燃料汽车进行试点建设，而与此同时，复旦大学也发生 过氢气爆炸事件，并造成人员伤亡 目前，氢能源尚未得到广泛应用，主要是因为在制造、贮存、运输氢气等方面都还 存在许多技术问题比如如何有效的进行低成本的大规模生产；高压下氢气能够穿过很 厚的钢板；如何有效的保证氢气运输过程中的安全只有解决好一系列的相关技术，氢 气才能够取代传统的能源因此，开发新能源尤其是开发氢能源，对人类社会的可持续 发展具有重大意义。

常用的气体传感器有敏感涂料、燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、半导体传 感器、反应热传感器、色谱仪传感器等迄今为止，氢气传感器已经被国内外广泛的研 究，并且在国民经济、空间技术及科研中都发挥了极其重大的作用[1]这些氢气传感器 大都分是以氢气的物理或化学性质为基础目前比较成熟的有热导式氢气传感器，在无 氧环境下被广泛的采用但是这类氢气传感器也存在缺点，在使用过程中，钨丝对气体 持续加热， 当混和气体中存在氧气时就有可能发生爆炸； 此外， 各种新型氢气传感器中， 半导体传感器也很受欢迎 比如金属氧化物半导体， 在有氧的环境下其测量精度也很高 在利用氢气的化学性质检测方面，原电池法相当成熟日本最近也研制出精度较高的半 导体氢气传感器其大致原理是利用氢气与氧气反应放热，导致半导体基体上的电阻发 生变化但总的来说，这些传感器都有各自的适用范围比如半导体传感器的精度的提 高，往往伴随着检测温度条件苛刻，原电池反应较慢，且在某些场合不方便。