基于寬帶光源的相關(guān)光譜式甲烷傳感理論建模及設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

【摘要】：對易燃易爆或者有毒有害氣體進(jìn)行有效的監(jiān)測預(yù)報(bào)和控制,是目前煤炭、化工、石油、電力等部門亟待解決的重要問題,特別是在能源生產(chǎn)和運(yùn)輸方面,如何降低易燃易爆或有毒有害氣體對生產(chǎn)過程和人類健康造成的威脅,并對其演化規(guī)律和發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測、控制和監(jiān)測預(yù)報(bào),已成為當(dāng)前亟待解決的重要問題。所以,對各類氣體檢測方法的研究已成為傳感技術(shù)領(lǐng)域中一個(gè)特別重要的課題。本論文以甲烷氣體濃度的測量為研究對象,對基于紅外寬帶光源的相關(guān)光譜式氣體傳感系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。主要內(nèi)容包括： (1)從氣體分子光譜的躍遷機(jī)制出發(fā),對分子的振動(dòng)光譜、轉(zhuǎn)動(dòng)光譜、振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)光譜,和吸收光譜的線形、線寬等理論進(jìn)行了介紹,并對氣體吸收的一般方程進(jìn)行了分析和修正。最后在介紹相關(guān)光譜技術(shù)原理與氣體紅外吸收計(jì)算方法的基礎(chǔ)上,確定了甲烷吸收光譜的檢測波段,并結(jié)合HITRAN數(shù)據(jù)庫對一般環(huán)境下多組分氣體的紅外吸收進(jìn)行了模擬計(jì)算,建立了基于寬帶光源的相關(guān)光譜式甲烷傳感器模型。(2)對基于相關(guān)光譜技術(shù)的紅外氣體傳感系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹,并針對系統(tǒng)需求分析,對系統(tǒng)中所用的紅外光源和光電探測器進(jìn)行了比較與選型。通過光學(xué)仿真軟件Tracepro對寬帶光源建模并進(jìn)行光線的模擬與追跡,確定了不同反射罩下光源的最佳發(fā)光點(diǎn)位置；經(jīng)過氣體光路傳感部分的仿真分析與實(shí)際情況下光吸收的測量,確定了最佳的樣品氣室長度,實(shí)現(xiàn)了對傳感氣室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化,最后介紹了基于虛擬儀器測試系統(tǒng)的硬件和軟件部分。 (3)從分析光譜吸收式甲烷檢測中的干擾因素入手,對微弱信號的特征提取技術(shù)進(jìn)行了介紹,并對提取算法的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了分析,在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,提出通過采用FFT頻域?yàn)V波與Savitzky-Golay數(shù)字濾波相結(jié)合的方法對光譜吸收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,使吸收光譜的靈敏度與信噪比大幅提高,為氣體濃度的精確反演提供了可靠的數(shù)據(jù)保障。 (4)針對自行研制的CH4氣體傳感系統(tǒng),對標(biāo)定的原理、算法進(jìn)行了深入闡述,確定了常溫常壓下CH4氣體的濃度反演曲線；利用HITRAN數(shù)據(jù)庫對溫度、壓力等環(huán)境因素對輸出的影響進(jìn)行了仿真,通過溫度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)了溫度效應(yīng)的自我修正；最后對氣體傳感系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和評價(jià)實(shí)驗(yàn),包括響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)、靈敏度、交叉干擾實(shí)驗(yàn)、穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較高的精確度與穩(wěn)定性,驗(yàn)證了該系統(tǒng)對甲烷濃度檢測的可行性。 【關(guān)鍵詞】：相關(guān)光譜 甲烷檢測 光學(xué)模擬仿真 數(shù)字濾波 曲線擬合 氣室設(shè)計(jì) 中紅外光源
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TP212
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-11
• 目錄11-14
• 圖索引14-19
• 表索引19-20
• 第一章 緒論20-40
• 1.1 課題研究的背景及意義20-22
• 1.2 國內(nèi)外氣體監(jiān)測技術(shù)概述22-38
• 1.2.1 氣體傳感技術(shù)的種類及對比22-35
• 1.2.2 相關(guān)光譜技術(shù)研究現(xiàn)狀35-38
• 1.3 論文的主要研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排38-40
• 第二章 光譜吸收型氣體傳感機(jī)理及理論建模40-64
• 2.1 引言40
• 2.2 氣體分子光譜理論40-51
• 2.2.1 紅外光譜產(chǎn)生機(jī)理及量子化能級41-42
• 2.2.2 氣體分子光譜基本理論42-44
• 2.2.3 多原子分子振-轉(zhuǎn)光譜與甲燒分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)44-48
• 2.2.4 光譜線線型及展寬機(jī)制48-51
• 2.3 氣體吸收理論51-54
• 2.3.1 氣體吸收的一般方程51-52
• 2.3.2 修正的氣體吸收定律52-54
• 2.4 氣體相關(guān)光譜吸收基本測量原理及仿真建模分析54-63
• 2.4.1 相關(guān)光譜技術(shù)原理54-56
• 2.4.2 相關(guān)光譜式氣體傳感器模型的建立與仿真56-63
• 2.5 本章小結(jié)63-64
• 第三章 COSPEC技術(shù)測量CH_4氣體濃度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)64-88
• 3.1 引言64
• 3.2 COSPEC系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及硬件實(shí)現(xiàn)64-83
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置-傳感系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)64-66
• 3.2.2 傳感器信號調(diào)制技術(shù)66-68
• 3.2.3 氣體傳感系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)68-77
• 3.2.4 測量氣室結(jié)構(gòu)77-83
• 3.3 COSPEC技術(shù)測量系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案83-86
• 3.3.1 基于PXI-6251多功能數(shù)據(jù)采集卡的信號采集83
• 3.3.2 基于LabVIEW的監(jiān)測界面設(shè)計(jì)83-86
• 3.4 本章小結(jié)86-88
• 第四章 氣體傳感系統(tǒng)的光電微弱信號處理88-108
• 4.1 引言88
• 4.2 常規(guī)微弱信號特征提取方法88-90
• 4.2.1 氣體傳感系統(tǒng)的噪聲分析88-90
• 4.2.2 微弱信號特征提取技術(shù)90
• 4.3 降噪性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)90-92
• 4.3.1 傳統(tǒng)的降噪性能評價(jià)指標(biāo)90-92
• 4.3.2 改進(jìn)的降噪性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)92
• 4.4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)92-106
• 4.4.1 傅里葉變換頻域?yàn)V波性能分析及仿真95-103
• 4.4.2 Savitzky-Golay數(shù)字濾波技術(shù)103-105
• 4.4.3 甲烷吸收光譜的聯(lián)合濾波算法105-106
• 4.5 本章小結(jié)106-108
• 第五章 傳感器性能測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析108-122
• 5.1 引言108
• 5.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建108-115
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)平臺及材料108-110
• 5.2.2 信號波形分析110-111
• 5.2.3 系統(tǒng)的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)111-115
• 5.3 環(huán)境因素對測量的影響115-118
• 5.3.1 溫度對測量的影響與補(bǔ)償115-118
• 5.3.2 壓力對測量的影響與分析118
• 5.4 樣機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果比較分析118-121
• 5.4.1 響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)118-119
• 5.4.2 靈敏度119-120
• 5.4.3 交叉干擾實(shí)驗(yàn)120
• 5.4.4 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)120-121
• 5.5 本章小結(jié)121-122
• 第六章 全文總結(jié)與展望122-126
• 6.1 主要研究內(nèi)容和結(jié)論122-123
• 6.2 研究展望123-126
• 參考文獻(xiàn)126-134
• 致謝134-135
• 攻讀博士學(xué)位期間已發(fā)表和錄用的學(xué)術(shù)論文135-136
• 攻讀學(xué)位期間主持和參與的科研項(xiàng)目136

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