基于TDLAS的分布式甲烷检测技术的研究

【摘要】：中国经济的迅速腾飞带动了各行各业的发展,这其中也包括了矿产业。同时它也加大了对矿物能源的需求,但随着矿井的增多,矿难事故也越来越多,这促使人们越来越关注矿井安全问题。这些矿难事故中,瓦斯爆炸占据了大多数,造成的伤害也是最大的,而甲烷气体是造成爆炸事故的瓦斯的主要成分,因此甲烷气体浓度的监测成为解决矿井事故问题的有效途径之一。可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)的谐波检测技术是近些年发展起来的基于光谱吸收的痕量气体测量技术,其测量精度高,且能消除激光器光强抖动以及其他系统干扰造成的影响。本文分析了基于TDLAS的二次谐波检测方案在实际应用中系统构造复杂以及稳定性较差的缺点,改为使用一次谐波来的检测方案进行甲烷气体浓度的测量。同时,由于系统中部分光器件价格过高,使用单一探测器来进行大范围监测的成本较高。基于此,本文在谐波检技术的基础上设计了一种时分复用原理的新型的分布式甲烷检测系统,该系统采用分路器将光源出射光分别送至各个气室单元,利用时分复用原理让各气室信号合路传输,然后对解复用后的各路信号进行数据处理,得到待测的浓度信息,从而实现待测甲烷气体浓度的分布式实时检测。本文中对该基于时分复用的分布式系统进行了Simulink仿真,仿真的结果理论上验证了基于时分复用的分布式监测系统的可行性。该系统具有谐波检测技术的优点,且时分复用的引用使得线路的铺设及远程监控更加方便,可以实现煤矿等场所的甲烷气体的分布式监测。 【关键词】：气体检测 光谱吸收 谐波分析 分布式系统
【学位授予单位】：武汉邮电科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712.55
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第1章 绪论7-15
• 1.1 引言7-8
• 1.2 气体传感器的比较8
• 1.3 光纤气体传感器的比较8-10
• 1.4 光纤气体传感器复用原理10-11
• 1.5 吸收型光纤甲烷传感器研究现状11-14
• 1.5.1 国外研究动态11-13
• 1.5.2 国内研究现状13-14
• 1.6 论文的主要研究内容14-15
• 第2章 吸收型光纤甲烷气体传感器检测原理15-24
• 2.1 光谱吸收原理15-16
• 2.2 吸收谱线选择16-18
• 2.2.1 甲烷吸收光谱的选择16-17
• 2.2.2 谱线线型17-18
• 2.3 吸收式甲烷传感器检测方法18-24
• 2.3.1 比尔-兰伯特定律18-19
• 2.3.2 差分吸收技术19-21
• 2.3.3 波长调制技术21-24
• 第3章 谐波信号提取和检测方案24-35
• 3.1 谐波信号的提取24-26
• 3.2 谐波检测方案26-35
• 3.2.1 二次谐波方案26-27
• 3.2.2 一次谐波方案27-34
• 3.2.3 调制系数的选择34-35
• 第4章 分布式检测系统35-43
• 4.1 气体传感器的复用技术35-36
• 4.2 分布式检测系统36-37
• 4.3 分布式系统分析37-43
• 4.3.1 光源的选择37-38
• 4.3.2 敏感元件结构38-40
• 4.3.3 时分复用原理40-43
• 第5章 系统建模仿真43-51
• 5.1 光源调制模块43-44
• 5.2 气室吸收模块44-46
• 5.2.1 吸收光谱洛伦兹线型44-45
• 5.2.2 气室吸收模块45-46
• 5.3 数据检测处理模块46-47
• 5.4 时分复用模块47-51
• 5.4.1 复用模块47-50
• 5.4.2 解复用模块50-51
• 第6章 总结与展望51-53
• 参考文献53-55
• 致谢55-56
• 附录1 攻读硕士学位期间发表的论文56-57
• 附录2 主要英文缩写语对照表57

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