礦井甲烷濃度光纖監(jiān)測網(wǎng)絡及其關鍵技術研究

【摘要】： 隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展,瓦斯爆炸事故頻頻發(fā)生,已經(jīng)成為制約煤礦安全生產(chǎn)的重要因素。甲烷是煤礦瓦斯氣體的主要成分,甲烷、氧氣以及明火的存在是引起瓦斯爆炸的三個因素。因此,實時可靠的檢測礦井甲烷濃度對保障人民生命和國家財產(chǎn)安全有著重要的社會意義和經(jīng)濟意義。 論文中首先綜述了甲烷常用的檢測方法和光纖氣體傳感器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。然后,設計了一套基于紅外光譜吸收原理的準分布式光纖甲烷傳感監(jiān)測網(wǎng)絡,該網(wǎng)絡利用分布反饋式半導體激光器(DFB LD)和16路光開關,結合空分復用技術且分別對差分吸收和諧波檢測法進行了分析。 其次,研究網(wǎng)絡的光源模塊、傳感模塊、光電轉換模塊和信號采集與處理模塊。本文重點對甲烷在2V_3帶R(4)支1650.96nm附近的吸收譜線、DFB激光器的模式躍變特性和氣體吸收室及防污染裝置的設計等關鍵技術的研究。另外,設計了前置放大及帶通濾波等電路。利用高速數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW編程軟件設計了專用的甲烷濃度監(jiān)測虛擬系統(tǒng),來實現(xiàn)實時瓦斯?jié)舛葦?shù)值顯示和曲線的可視化輸出,及時進行聲光報警等功能。 最后,我們分別對差分吸收式的雙波長單光路檢測方案和二次諧波檢測方案進行了甲烷氣體吸收實驗,對網(wǎng)絡進行了光纖鏈路損耗實驗,并進行了重復性和穩(wěn)定性等實驗。實驗結果均與理論分析一致。通過分析得到網(wǎng)絡中傳感器的靈敏度為0.0018uw/ppm、分辨率達到96ppm。 【關鍵詞】：光纖甲烷傳感器 光譜吸收 差分吸收 諧波檢測 空分復用
【學位授予單位】：中北大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：TP274.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 緒論9-18
• 1.1 選題的背景和研究意義9-10
• 1.2 氣體檢測的基本方法10-13
• 1.3 光纖氣體傳感技術介紹13-15
• 1.3.1 光纖氣體傳感器的分類及優(yōu)點13-14
• 1.3.2 光纖氣體傳感器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-15
• 1.4 分布式光纖氣體傳感復用技術15-17
• 1.5 論文主要研究內(nèi)容及課題來源17-18
• 2 光纖甲烷濃度檢測的基本原理與檢測方法18-29
• 2.1 光譜吸收式光纖傳感器的測量原理18-19
• 2.2 氣體分子的近紅外選擇吸收19-22
• 2.3 基于光譜吸收原理的檢測方法22-29
• 2.3.1 差分吸收技術22-25
• 2.3.2 諧波檢測技術25-29
• 3 光纖甲烷傳感系統(tǒng)設計29-46
• 3.1 光源模塊29-34
• 3.1.1 光源的選擇29-30
• 3.1.2 DFB激光器的模式躍變特性30-33
• 3.1.3 光隔離器、光衰減器及光開關33-34
• 3.2 傳感模塊34-36
• 3.2.1 甲烷氣體吸收模塊的設計34-35
• 3.2.2 氣室防污染材料的選取35-36
• 3.3 光電轉換及電路模塊36-40
• 3.3.1 光電探測器的選擇36-37
• 3.3.2 前置放大電路的設計37
• 3.3.3 濾波電路的設計37-39
• 3.3.4 調(diào)制電路的設計39-40
• 3.4 信號采集及處理模塊40-42
• 3.4.1 基于PCI-2006采集卡的信號采集41
• 3.4.2 基于LabVIEW的監(jiān)測界面設計41-42
• 3.5 甲烷檢測系統(tǒng)方案設計與可行性分析42-46
• 3.5.1 差分吸收方案設計及可行性分析43-44
• 3.5.2 諧波檢測方案設計及可行性分析44-46
• 4 甲烷氣體濃度測量實驗研究與分析46-57
• 4.1 實驗樣機46
• 4.2 激光器的P-I特性及波長測定46-48
• 4.3 光纖及光學傳感單元的損耗實驗48-50
• 4.4 差分吸收實驗及結果分析50-51
• 4.5 諧波檢測實驗及結果分析51-53
• 4.6 示值對比實驗53-54
• 4.7 重復性實驗54-55
• 4.8 穩(wěn)定性實驗55
• 4.9 傳感器性能參數(shù)分析55-57
• 5 結論與展望57-60
• 5.1 本課題完成的工作57-58
• 5.2 還存在的問題58
• 5.3 光纖瓦斯傳感器的發(fā)展方向58-60
• 參考文獻60-65
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及所取得的研究成果65-66
• 致謝66

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