高分辨率光纤甲烷气体检测系统的研究

【摘要】： 研制及时、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行监测和控制的传感系统已成为当前煤炭、石油及环境监测等领域亟待解决的问题。 论文研究了高分辨率的光谱吸收式光纤甲烷气体传感系统。系统具有灵敏度高、响应速度快、动态范围大、防燃防爆、防电磁干扰、易于实现实时遥测等优点,可用于环境检测及恶劣环境下的在线监测。 分析了气体近红外选择性吸收理论,得出了甲烷气体吸收测量的理论依据,确定了甲烷气体的吸收谱线,找出适合普通石英光纤进行较长距离低损耗传输的光谱特性。 基于比尔-朗伯定律,建立了吸收式气体浓度测试系统分辨率的数学模型。从数学模型出发,分析了影响系统分辨率的因素,从气室、光路耦合效率、光源等方面入手,研究了提高分辨率的途径。 构建了吸收式甲烷气体检测系统,研究了基于DFBLD光源的气体谐波检测技术。设计了光源驱动、恒温控制、前置放大、带通滤波、锁相放大等主要电路单元,分析Labview采集到的反映甲烷气体浓度的谐波信号,直观地显示甲烷气体浓度信息。 进行了包括光纤链路损耗、气体吸收和示值比对等系统总体实验。实验表明,所设计的系统能有效地检测被测气体的浓度参数,具有较高的分辨率,验证了光谱吸收式光纤气体传感检测系统设计方案的可行性。 【关键词】：光纤气体传感 光谱吸收 谐波检测 分辨率 Labview
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP274.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 引言9-10
• 1.2 气体检测的方法10-12
• 1.3 光纤气体传感器12-16
• 1.3.1 功能型光纤气体传感器13-14
• 1.3.2 传光型光纤气体传感器14-15
• 1.3.3 吸收式光纤气体传感器的国内外研究现状15-16
• 1.4 课题来源和研究的目的及意义16-17
• 1.4.1 课题来源16
• 1.4.2 研究的目的和意义16-17
• 1.5 研究内容17-19
• 第2章 光谱吸收式气体检测原理及方法19-33
• 2.1 引言19
• 2.2 气体分子光谱特性19-24
• 2.2.1 气体分子的运动形式及其光谱20-21
• 2.2.2 基频、泛频及组合频率光谱21-22
• 2.2.3 气体分子的典型吸收线22-24
• 2.3 光谱吸收式光纤气体检测方法24-32
• 2.3.1 差分吸收检测技术24-26
• 2.3.2 谐波检测技术26-32
• 2.4 本章小结32-33
• 第3章 光纤气体传感器分辨率研究33-47
• 3.1 引言33
• 3.2 分辨率的数学模型33-35
• 3.3 提高气体浓度分辨率的途径35-46
• 3.3.1 气室的设计35-36
• 3.3.2 光路传输效率36-40
• 3.3.3 光源的选择40-42
• 3.3.4 光电探测器42-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第4章 光纤甲烷气体检测系统的设计47-65
• 4.1 引言47
• 4.2 甲烷气体谐波检测系统47-48
• 4.3 DFBLD 光源驱动系统电路的设计48-55
• 4.3.1 DFBLD 光源特性48-49
• 4.3.2 DFBLD 光源驱动电路系统49-52
• 4.3.3 正弦波发生电路和交流调制电路的设计52-53
• 4.3.4 DFBLD 光源的恒温控制53-55
• 4.4 前置放大电路的设计55-57
• 4.5 滤波电路的设计57-59
• 4.6 锁相放大器59-61
• 4.7 数据处理系统的设计61-64
• 4.8 本章小结64-65
• 第5章 光纤甲烷气体传感系统的实验研究65-73
• 5.1 引言65
• 5.2 实验样机及实验条件65-66
• 5.3 DFBLD 光源光谱特性66
• 5.4 光纤链路损耗实验66-67
• 5.5 检测系统的分辨率67-68
• 5.6 气体吸收与二次谐波关系实验68-69
• 5.7 系统校准实验69-72
• 5.7.1 示值比对实验69-70
• 5.7.2 重复性实验70-71
• 5.7.3 稳定度测定实验71-72
• 5.8 本章小结72-73
• 结论73-75
• 参考文献75-80
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果80-81
• 致谢81-82
• 作者简介82

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