光纤甲烷气体传感研究

【摘要】：甲烷是瓦斯气体的主要成分,而煤矿瓦斯爆炸事故频发,不仅带来严重的经济损失,更是造成了巨大的人员伤亡。因此实时动态准确的监测煤矿下甲烷气体,是非常重要的。目前矿井下的传统监测方法存在着不安全、不方便等缺点,基于光谱吸收式原理的光纤甲烷气体传感,有着安全性能高、受环境因素影响小、适于远距离测量且准确度高、易于组网等优点,受到越来越多的重视。 本论文分析了甲烷气体红外吸收的原理,对甲烷的吸收谱线、吸收系数进行了研究,在对比了几种解决方案的特点后,提出了用差分法来检测甲烷浓度,并在此之上用梳状滤波进行了改进。通过仿真分析得出,在低浓度时气体浓度与输出的信号参考光比值成线性关系。 本实验用的是SLED宽谱光源。在光路部分,宽带滤波器滤出所需的波段;气室用来气体的通入导出;传感单元选择了准直器级联型和多次反射型两种光学传感探头,因为后者实用的可能性更高,所以实验时用的是后一种;另外设计了一个光解复用器,用来分出信号光与参考光。 最后我们详细介绍了所用宽谱光源和光电探测器的原理和各项性能指标,并介绍了模数转换的基本原理。 根据本系统做了实验,分析数据后结果表明方案可行,能满足低浓度测量要求,但也存在误差,并对误差做了讨论分析。系统还需进一步改进和测试。理论上,本系统探测的精度可达410ppm。 【关键词】：光纤甲烷气体传感 甲烷 吸收系数 差分检测 滤波器 光纤准直器
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TN253;TP212.14
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 1 绪论8-11
• 1.1 引言8
• 1.2 光纤气体传感介绍8-9
• 1.3 基于光谱吸收型光纤甲烷气体传感探测器的研究进展9-10
• 1.4 本论文主要研究工作10-11
• 2 光纤甲烷气体传感探测的原理11-25
• 2.1 甲烷气体的近红外吸收原理11
• 2.2 甲烷气体吸收谱线研究11-15
• 2.3 甲烷浓度信息检测方法15-20
• 2.4 最终确定的检测方法—差分检测法20-23
• 2.5 系统总架构研究23
• 2.6 差分检测结果仿真分析23-24
• 2.7 本章小结24-25
• 3 差分检测系统传感光路研究25-34
• 3.1 气体吸收光路设计理论分析25-26
• 3.2 光纤26
• 3.3 气室研究26-27
• 3.4 光纤传感探头的研制27-30
• 3.5 CWDM 宽带滤波器30-31
• 3.6 梳状滤波器及光解复用器31-33
• 3.7 本章小结33-34
• 4 光源及探测装置的研究34-45
• 4.1 宽谱光源的研究34-37
• 4.2 光电探测器37-42
• 4.3 A/D 数据采集42-44
• 4.4 本章小结44-45
• 5 实验结果和系统性能分析45-58
• 5.1 SLED 宽谱光源的测试结果45-47
• 5.2 滤波器测试结果47-49
• 5.3 系统损耗测试49
• 5.4 光源波动影响测试49-50
• 5.5 系统实验结果分析50-54
• 5.6 传感器分段拟合法54-56
• 5.7 系统性能分析56-57
• 5.8 本章小结57-58
• 6 全文总结58-59
• 7 展望59-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-63

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