光纤光栅甲烷检测系统的研究

【摘要】：甲烷是一种易燃易爆的气体,是包括瓦斯在内的多种危险可燃气体的主要组成部分。煤矿开采过程中容易发生瓦斯的爆炸,严重威胁着相关从业人员的生命安全,近年来,煤矿瓦斯爆炸引起的安全事故逐年上升,影响十分恶劣。甲烷浓度在4.9%-15.4%区间内,并有氧气与明火存在时,极易产生瓦斯爆炸,因此有必要对甲烷浓度进行实时监测。 本文设计了基于光纤布拉格光栅(FBG)和EFPI传感器的气体检测方案,建立了以SLD为宽带光源的甲烷气体检测系统,实现了气体的测量。本文首先介绍了光纤气体传感的国内外现状和本课题研究的背景和意义。并介绍了光谱吸收检测的一般原理和气体分子的选择吸收理论,给出了一般气体分子的典型吸收线,确定了光谱吸收检测的可行性。使用一般的检测方法会有各种干扰和影响,因此我们选择光纤光栅滤波来降低光源不稳定性和背景吸收的干扰。通过对光纤光栅的介绍,我们知道只有满足布拉格条件的光才能被光纤光栅反射回光纤中,即可以把光纤光栅看做窄带滤波器。再者对EFPI传感器进行了原理的介绍和公式的推导,将其应用于瓦斯气体的检测。本实验的软件平台采用的是LasIRView,该软件能够实现双向同步通讯,这样可以满足实时在线监测的要求。该软件还采用了带有图像界面的操作界面,能够清晰方便的观察和检测。 本文最后分析计算了检测系统的灵敏度,进行了包括光纤链路损耗实验、实时监测实验、甲烷气体吸收实验、交叉灵敏度实验、示值比对实验、重复性实验和稳定度测定实验等气体检测系统的总体实验。实验结果表明,本文所设计的光纤光栅EFPI甲烷检测系统具有很好的准确度和灵敏度,能够符合甲烷实时在线检测的要求,该方案切实可行。 【关键词】：甲烷气体 布拉格光栅 EFPI LasIRView
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP274
【目录】：

• Abstract5-7
• 摘要7-14
• 1 绪论14-18
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 光纤气体传感的发展现状15-17
• 1.2.1 国外光纤气体传感的发展现状15-16
• 1.2.2 国内光纤气体传感的发展现状16-17
• 1.3 课题研究的意义17
• 1.4 课题研的主要内容17-18
• 2 光谱吸收检测的基础理论18-36
• 2.1 光谱吸收检测的一般原理18
• 2.2 选择吸收理论18-19
• 2.3 振动光谱、转动光谱、振动一转动光谱19-21
• 2.4 基频、谐频及泛频光谱21-22
• 2.5 气体分子的典型吸收线22-26
• 2.5.1 自然宽度23-24
• 2.5.2 碰撞宽度24-25
• 2.5.3 多普勒宽度25-26
• 2.6 光纤光栅传感理论26-32
• 2.6.1 光纤光栅的折射率27
• 2.6.2 光纤布拉格光栅的传感原理27-29
• 2.6.3 光纤光栅的耦合29-32
• 2.7 EFPI光纤传感理论32-34
• 2.7.1 基本结构32
• 2.7.2 工作原理32-34
• 2.8 本章小结34-36
• 3 光纤光栅EFPI甲烷检测系统设计36-50
• 3.1 光纤光栅EFPI甲烷检测系统的结构36
• 3.2 甲烷吸收谱线的选择36-39
• 3.3 系统光源的选择39-42
• 3.3.1 发光二极管(LED)40
• 3.3.2 半导体激光器(LD)40-41
• 3.3.3 分布反馈式半导体激光器(DFBLD)41
• 3.3.4 实验选用的光源41-42
• 3.4 光栅光谱仪42-43
• 3.5 光电探测器43-44
• 3.6 光电耦合器44-45
• 3.7 传感气室45-49
• 3.8 本章小结49-50
• 4 系统软件设计50-56
• 4.1 应用软件参数的设置50-54
• 4.1.1 应用软件菜单栏设置50-51
• 4.1.2 应用软件激光器设置51-52
• 4.1.3 应用软件的通道(Location)设置52-53
• 4.1.4 应用软件的数据处理(Data Processing)设置53-54
• 4.1.5 应用软件的模拟输出(Analog Output)设置54
• 4.2 本章小结54-56
• 5 系统的实验结果及其分析56-62
• 5.1 系统的灵敏度56
• 5.2 光纤链路损耗实验56-57
• 5.3 实时监测实验57
• 5.4 甲烷吸收实验57-58
• 5.5 交叉灵敏度实验58-59
• 5.6 系统校准实验59-61
• 5.6.1 示值比对实验59-60
• 5.6.2 重复性实验60
• 5.6.3 稳定度测定实验60-61
• 5.7 本章小结61-62
• 6 结论与展望62-64
• 6.1 结论62
• 6.2 论文的展望62-64
• 参考文献64-68
• 致谢68-70
• 作者简介70

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