光纖光柵甲烷檢測(cè)系統(tǒng)的研究

【摘要】：甲烷是一種易燃易爆的氣體,是包括瓦斯在內(nèi)的多種危險(xiǎn)可燃?xì)怏w的主要組成部分。煤礦開(kāi)采過(guò)程中容易發(fā)生瓦斯的爆炸,嚴(yán)重威脅著相關(guān)從業(yè)人員的生命安全,近年來(lái),煤礦瓦斯爆炸引起的安全事故逐年上升,影響十分惡劣。甲烷濃度在4.9%-15.4%區(qū)間內(nèi),并有氧氣與明火存在時(shí),極易產(chǎn)生瓦斯爆炸,因此有必要對(duì)甲烷濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 本文設(shè)計(jì)了基于光纖布拉格光柵(FBG)和EFPI傳感器的氣體檢測(cè)方案,建立了以SLD為寬帶光源的甲烷氣體檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了氣體的測(cè)量。本文首先介紹了光纖氣體傳感的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和本課題研究的背景和意義。并介紹了光譜吸收檢測(cè)的一般原理和氣體分子的選擇吸收理論,給出了一般氣體分子的典型吸收線,確定了光譜吸收檢測(cè)的可行性。使用一般的檢測(cè)方法會(huì)有各種干擾和影響,因此我們選擇光纖光柵濾波來(lái)降低光源不穩(wěn)定性和背景吸收的干擾。通過(guò)對(duì)光纖光柵的介紹,我們知道只有滿足布拉格條件的光才能被光纖光柵反射回光纖中,即可以把光纖光柵看做窄帶濾波器。再者對(duì)EFPI傳感器進(jìn)行了原理的介紹和公式的推導(dǎo),將其應(yīng)用于瓦斯氣體的檢測(cè)。本實(shí)驗(yàn)的軟件平臺(tái)采用的是LasIRView,該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)雙向同步通訊,這樣可以滿足實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的要求。該軟件還采用了帶有圖像界面的操作界面,能夠清晰方便的觀察和檢測(cè)。 本文最后分析計(jì)算了檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度,進(jìn)行了包括光纖鏈路損耗實(shí)驗(yàn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)、甲烷氣體吸收實(shí)驗(yàn)、交叉靈敏度實(shí)驗(yàn)、示值比對(duì)實(shí)驗(yàn)、重復(fù)性實(shí)驗(yàn)和穩(wěn)定度測(cè)定實(shí)驗(yàn)等氣體檢測(cè)系統(tǒng)的總體實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文所設(shè)計(jì)的光纖光柵EFPI甲烷檢測(cè)系統(tǒng)具有很好的準(zhǔn)確度和靈敏度,能夠符合甲烷實(shí)時(shí)在線檢測(cè)的要求,該方案切實(shí)可行。 【關(guān)鍵詞】：甲烷氣體 布拉格光柵 EFPI LasIRView
【學(xué)位授予單位】：安徽理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TP274
【目錄】：

• Abstract5-7
• 摘要7-14
• 1 緒論14-18
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 光纖氣體傳感的發(fā)展現(xiàn)狀15-17
• 1.2.1 國(guó)外光纖氣體傳感的發(fā)展現(xiàn)狀15-16
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)光纖氣體傳感的發(fā)展現(xiàn)狀16-17
• 1.3 課題研究的意義17
• 1.4 課題研的主要內(nèi)容17-18
• 2 光譜吸收檢測(cè)的基礎(chǔ)理論18-36
• 2.1 光譜吸收檢測(cè)的一般原理18
• 2.2 選擇吸收理論18-19
• 2.3 振動(dòng)光譜、轉(zhuǎn)動(dòng)光譜、振動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)光譜19-21
• 2.4 基頻、諧頻及泛頻光譜21-22
• 2.5 氣體分子的典型吸收線22-26
• 2.5.1 自然寬度23-24
• 2.5.2 碰撞寬度24-25
• 2.5.3 多普勒寬度25-26
• 2.6 光纖光柵傳感理論26-32
• 2.6.1 光纖光柵的折射率27
• 2.6.2 光纖布拉格光柵的傳感原理27-29
• 2.6.3 光纖光柵的耦合29-32
• 2.7 EFPI光纖傳感理論32-34
• 2.7.1 基本結(jié)構(gòu)32
• 2.7.2 工作原理32-34
• 2.8 本章小結(jié)34-36
• 3 光纖光柵EFPI甲烷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)36-50
• 3.1 光纖光柵EFPI甲烷檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)36
• 3.2 甲烷吸收譜線的選擇36-39
• 3.3 系統(tǒng)光源的選擇39-42
• 3.3.1 發(fā)光二極管(LED)40
• 3.3.2 半導(dǎo)體激光器(LD)40-41
• 3.3.3 分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFBLD)41
• 3.3.4 實(shí)驗(yàn)選用的光源41-42
• 3.4 光柵光譜儀42-43
• 3.5 光電探測(cè)器43-44
• 3.6 光電耦合器44-45
• 3.7 傳感氣室45-49
• 3.8 本章小結(jié)49-50
• 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)50-56
• 4.1 應(yīng)用軟件參數(shù)的設(shè)置50-54
• 4.1.1 應(yīng)用軟件菜單欄設(shè)置50-51
• 4.1.2 應(yīng)用軟件激光器設(shè)置51-52
• 4.1.3 應(yīng)用軟件的通道(Location)設(shè)置52-53
• 4.1.4 應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)處理(Data Processing)設(shè)置53-54
• 4.1.5 應(yīng)用軟件的模擬輸出(Analog Output)設(shè)置54
• 4.2 本章小結(jié)54-56
• 5 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析56-62
• 5.1 系統(tǒng)的靈敏度56
• 5.2 光纖鏈路損耗實(shí)驗(yàn)56-57
• 5.3 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)57
• 5.4 甲烷吸收實(shí)驗(yàn)57-58
• 5.5 交叉靈敏度實(shí)驗(yàn)58-59
• 5.6 系統(tǒng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)59-61
• 5.6.1 示值比對(duì)實(shí)驗(yàn)59-60
• 5.6.2 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)60
• 5.6.3 穩(wěn)定度測(cè)定實(shí)驗(yàn)60-61
• 5.7 本章小結(jié)61-62
• 6 結(jié)論與展望62-64
• 6.1 結(jié)論62
• 6.2 論文的展望62-64
• 參考文獻(xiàn)64-68
• 致謝68-70
• 作者簡(jiǎn)介70

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