基于光譜吸收式的光纖甲烷氣體傳感系統(tǒng)

【摘要】： 光纖氣體傳感技術(shù)是一項正在發(fā)展中的新型測試技術(shù),在礦井、油田以及電力系統(tǒng)安全保護(hù)、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。光纖氣體傳感器以光作為被測量的信號載體,自身獨立性好,可以在各種復(fù)雜環(huán)境下使用。光信號傳輸距離長,且易于組網(wǎng),可滿足長距離、多功能、智能化的要求。 本文以礦井瓦斯的主要成分甲烷為監(jiān)測對象,研究基于光譜吸收的全光纖氣體監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有對測量信號有較高的響應(yīng)速度、測量靈敏度高、動態(tài)范圍大、防燃防爆、防電磁干擾、不易中毒等優(yōu)點。在實際測量中,傳感頭可以放置在人和儀器不易進(jìn)入的易燃易爆、有毒等惡劣環(huán)境中,實現(xiàn)信號在線遙測,從而達(dá)到實時監(jiān)測甲烷濃度、及時報警,避免瓦斯爆炸事故發(fā)生的目的。 通過對氣體近紅外選擇性吸收的理論分析,給出了氣體吸收測量的理論依據(jù)。根據(jù)甲烷氣體的吸收譜線,找出適合普通石英光纖進(jìn)行較長距離低損耗傳輸?shù)墓庾V特性。采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFB LD)作為光源,通過光源調(diào)制實現(xiàn)氣體濃度的諧波檢測,利用二次諧波與一次諧波的比值來消除由光源的不穩(wěn)定等因素所引起的檢測誤差。建立了諧波檢測的數(shù)學(xué)模型。 文中論述了近紅外波段激發(fā)光源的光強(qiáng)穩(wěn)定技術(shù); DFB LD和氣體吸收峰中心波長精確對準(zhǔn)技術(shù);測量信號和參考信號的獲取與比值處理技術(shù)。對測量系統(tǒng)的光路、氣室以及電路進(jìn)行了設(shè)計,給出了以鎖相放大器為核心的微弱信號檢測電路和微型計算機(jī)處理電路。利用虛擬儀器技術(shù),將采集的信號進(jìn)行解調(diào)及加工處理和計算,用軟件代替了復(fù)雜的硬件電路,簡化了設(shè)計。得到的瓦斯?jié)舛饶軌蛟趫D形界面上顯示,并進(jìn)行保存,以便用于瓦斯突出,瓦數(shù)預(yù)測等其它后續(xù)工作。進(jìn)行了光纖甲烷氣體傳感系統(tǒng)的實驗研究,驗證了系統(tǒng)的可行性,并給出了實驗結(jié)果。 【關(guān)鍵詞】：甲烷 光譜吸收 諧波檢測 虛擬儀器
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號】：TP212
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 緒論9-21
• 1.1 引言9-10
• 1.2 光纖氣體傳感器10-19
• 1.2.1 光纖氣體傳感器的分類11-14
• 1.2.2 氣體傳感器性能比較14
• 1.2.3 氣體傳感技術(shù)的現(xiàn)狀和存在的問題14-15
• 1.2.4 吸收式光纖氣體傳感器的研究現(xiàn)狀15-19
• 1.3 研究目的及意義19
• 1.4 論文的主要研究內(nèi)容19-21
• 第二章 光譜吸收式氣體檢測原理及方法21-43
• 2.1 引言21
• 2.2 氣體分子近紅外選擇吸收21-27
• 2.2.1 氣體分子的運(yùn)動形式及其光譜22-23
• 2.2.2 基頻、泛頻及組合頻率光譜23-24
• 2.2.3 甲烷氣體吸收譜線的選擇24-26
• 2.2.4 氣體分子的典型吸收線26-27
• 2.3 吸收檢測的原理27-28
• 2.4 氣體濃度的諧波檢測28-37
• 2.4.1 窄帶光源的諧波檢測29-33
• 2.4.2 光纖光柵調(diào)制 LED 寬帶光源進(jìn)行諧波檢測33-37
• 2.5 諧波檢測方案的選擇37-39
• 2.5.1 諧波檢測的靈敏度限制因素38
• 2.5.2 諧波次數(shù)的選取38
• 2.5.3 調(diào)制頻率的選擇38-39
• 2.6 多點光纖氣體傳感網(wǎng)絡(luò)39-41
• 2.6.1 光纖無源傳感網(wǎng)絡(luò)39-40
• 2.6.2 光纖氣體傳感復(fù)用技術(shù)40-41
• 2.7 本章小結(jié)41-43
• 第三章 光纖甲烷氣體檢測系統(tǒng)的設(shè)計43-70
• 3.1 引言43
• 3.2 光源的選擇43-47
• 3.2.1 白熾光源44
• 3.2.2 氣體激光器44-45
• 3.2.3 半導(dǎo)體光源45-47
• 3.3 敏感元件(吸收氣室)結(jié)構(gòu)47-48
• 3.4 光源驅(qū)動及正弦波發(fā)生電路的設(shè)計48-51
• 3.4.1 光源驅(qū)動電路的設(shè)計48-51
• 3.4.2 正弦波發(fā)生電路的設(shè)計51
• 3.5 溫控電路的設(shè)計51-52
• 3.6 光電探測器的選擇52-53
• 3.7 前置放大電路的設(shè)計53-55
• 3.8 濾波電路設(shè)計55-59
• 3.8.1 兩種有源帶通濾波器56-57
• 3.8.2 同步積分濾波電路57-59
• 3.9 鎖相放大電路的設(shè)計59-62
• 3.10 基于虛擬儀器的信號處理系統(tǒng)設(shè)計62-68
• 3.10.1 虛擬儀器的編程軟件—LabVIEW63-65
• 3.10.2 信號解調(diào)及處理程序的設(shè)計65-67
• 3.10.3 波形顯示的設(shè)計與實現(xiàn)67
• 3.10.4 數(shù)據(jù)的存儲、打印與讀取67-68
• 3.11 本章小結(jié)68-70
• 第四章 光纖甲烷氣體傳感系統(tǒng)的實驗研究70-75
• 4.1 引言70
• 4.2 系統(tǒng)的靈敏度和分辨率70-71
• 4.3 DFB LD 光譜特性測試71-72
• 4.4 光纖鏈路損耗實驗72-73
• 4.5 甲烷吸收實驗73-74
• 4.6 本章小節(jié)74-75
• 結(jié)語75-77
• 致謝77-78
• 參考文獻(xiàn)78-82
• 在學(xué)期間的研究成果82-83

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