基于諧波檢測技術(shù)的光纖甲烷氣體傳感器的研究

【摘要】： 煤炭是我國最重要的能源之一,煤炭占據(jù)全國一次性能源結(jié)構(gòu)的70%。制約我國煤炭行業(yè)發(fā)展的主要是煤炭生產(chǎn)中的安全問題,近年來瓦斯爆炸占我國煤礦安全事故的80%以上。甲烷是煤礦生產(chǎn)中引起瓦斯爆炸最直接的有害氣體?？焖?、準(zhǔn)確檢測甲烷氣體的體積分?jǐn)?shù),對工礦安全運(yùn)行,生產(chǎn)生活有著至關(guān)重要的作用。近年來,光纖及光電探測技術(shù)的蓬勃發(fā)展。鑒于光纖可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸,并且光纖傳感器所用的光功率較低,十分安全,所以傳感探頭可以放入危險惡劣的環(huán)境中(如有毒、高溫及易燃易爆氣體),對現(xiàn)場進(jìn)行實時遙控監(jiān)測,實現(xiàn)對易燃易爆氣體的安全檢測。 本文研究了新型的光纖甲烷氣體濃度的檢測系統(tǒng)。分析了多原子分子的紅外吸收理論,并且從甲烷的分子結(jié)構(gòu)出發(fā),研究了甲烷分子的紅外吸收譜線并選取合適的吸收峰。根據(jù)比爾朗伯定律,建立了諧波檢測技術(shù)的數(shù)學(xué)模型。其可以有效將光源波長精確鎖定在氣體吸收線中心,并消除光強(qiáng)波動等共模噪聲帶來的誤差。 研究了DFBLD的工作原理及其作為系統(tǒng)光源的優(yōu)點(diǎn),并針對其特點(diǎn)設(shè)計了驅(qū)動和溫控電路。介紹了光電探測器的特性,設(shè)計了一系列信號檢測電路(包括正弦波發(fā)生電路、倍頻電路、前置放大電路和濾波電路)。研究了數(shù)字鎖相放大器的結(jié)構(gòu)及其工作原理。分析了氣室及其與光纖的耦合。最后基于LabVIEW設(shè)計了虛擬示波器。 進(jìn)行了光路損耗實驗、氣體吸收試驗和示值標(biāo)定試驗。實驗結(jié)果表明,本文設(shè)計的光纖甲烷氣體傳感系統(tǒng)可以對甲烷氣體的濃度進(jìn)行有效的測量。 【關(guān)鍵詞】：甲烷 光纖傳感器 諧波檢測 分子光譜 DFBLD 鎖相放大器 虛擬儀器
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：TP212
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 緒論8-17
• 1.1 課題研究背景及意義8-9
• 1.2 氣體檢測方法9-11
• 1.3 光纖傳感器11-13
• 1.3.1 光纖傳感器的分類11-12
• 1.3.2 光纖傳感器的特點(diǎn)12-13
• 1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-16
• 1.5 課題來源和研究內(nèi)容16-17
• 1.5.1 課題來源16
• 1.5.2 研究內(nèi)容16-17
• 第2章 光纖氣體傳感原理17-31
• 2.1 引言17
• 2.2 紅外光譜17-18
• 2.3 分子光譜18-19
• 2.4 多原子分子光譜19-20
• 2.5 基頻、泛頻和組合光譜20-21
• 2.6 氣體分子的紅外吸收理論21-22
• 2.7 甲烷分子的結(jié)構(gòu)及吸收譜線22-26
• 2.7.1 甲烷分子的結(jié)構(gòu)22-23
• 2.7.2 氣體分子的吸收線23-24
• 2.7.3 甲烷氣體吸收譜線波長的選擇24-26
• 2.8 諧波檢測原理26-29
• 2.9 本章小結(jié)29-31
• 第3章 光纖甲烷氣體傳感器的設(shè)計31-58
• 3.1 引言31
• 3.2 氣體檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計31-32
• 3.3 光源的選擇32-35
• 3.3.1 發(fā)光二極管32-33
• 3.3.2 半導(dǎo)體激光器33-35
• 3.4 光源驅(qū)動電路及其溫控電路設(shè)計35-40
• 3.4.1 光源驅(qū)動電路設(shè)計35-38
• 3.4.2 光源溫控電路設(shè)計38-40
• 3.5 光電探測器40-41
• 3.6 信號檢測電路41-49
• 3.6.1 正弦波發(fā)生電路41-42
• 3.6.2 倍頻電路42
• 3.6.3 前置放大電路42-47
• 3.6.4 濾波電路47-49
• 3.7 鎖相放大器49-52
• 3.8 氣室52-54
• 3.9 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)54-57
• 3.10 本章小結(jié)57-58
• 第4章 光纖甲烷氣體傳感系統(tǒng)實驗58-67
• 4.1 引言58
• 4.2 試驗樣機(jī)58-59
• 4.3 光纖鏈路損耗實驗59-61
• 4.4 系統(tǒng)的靈敏度與分辨力61-62
• 4.4.1 靈敏度61
• 4.4.2 分辨力61-62
• 4.5 氣體吸收實驗62-63
• 4.6 系統(tǒng)標(biāo)定實驗63-66
• 4.6.1 示值比對實驗63-64
• 4.6.2 交叉靈敏度實驗64-65
• 4.6.3 重復(fù)性實驗65
• 4.6.4 穩(wěn)定度實驗65-66
• 4.7 本章小結(jié)66-67
• 結(jié)論67-68
• 參考文獻(xiàn)68-72
• 攻讀碩士學(xué)位期間承擔(dān)的科研任務(wù)與主要成果72-73
• 致謝73-74
• 作者簡介74

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