基于谐波检测技术的光纤甲烷气体传感器的研究

【摘要】： 煤炭是我国最重要的能源之一,煤炭占据全国一次性能源结构的70%。制约我国煤炭行业发展的主要是煤炭生产中的安全问题,近年来瓦斯爆炸占我国煤矿安全事故的80%以上。甲烷是煤矿生产中引起瓦斯爆炸最直接的有害气体。快速、准确检测甲烷气体的体积分数,对工矿安全运行,生产生活有着至关重要的作用。近年来,光纤及光电探测技术的蓬勃发展。鉴于光纤可以实现远距离传输,并且光纤传感器所用的光功率较低,十分安全,所以传感探头可以放入危险恶劣的环境中(如有毒、高温及易燃易爆气体),对现场进行实时遥控监测,实现对易燃易爆气体的安全检测。 本文研究了新型的光纤甲烷气体浓度的检测系统。分析了多原子分子的红外吸收理论,并且从甲烷的分子结构出发,研究了甲烷分子的红外吸收谱线并选取合适的吸收峰。根据比尔朗伯定律,建立了谐波检测技术的数学模型。其可以有效将光源波长精确锁定在气体吸收线中心,并消除光强波动等共模噪声带来的误差。 研究了DFBLD的工作原理及其作为系统光源的优点,并针对其特点设计了驱动和温控电路。介绍了光电探测器的特性,设计了一系列信号检测电路(包括正弦波发生电路、倍频电路、前置放大电路和滤波电路)。研究了数字锁相放大器的结构及其工作原理。分析了气室及其与光纤的耦合。最后基于LabVIEW设计了虚拟示波器。 进行了光路损耗实验、气体吸收试验和示值标定试验。实验结果表明,本文设计的光纤甲烷气体传感系统可以对甲烷气体的浓度进行有效的测量。 【关键词】：甲烷 光纤传感器 谐波检测 分子光谱 DFBLD 锁相放大器 虚拟仪器
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-17
• 1.1 课题研究背景及意义8-9
• 1.2 气体检测方法9-11
• 1.3 光纤传感器11-13
• 1.3.1 光纤传感器的分类11-12
• 1.3.2 光纤传感器的特点12-13
• 1.4 国内外研究现状13-16
• 1.5 课题来源和研究内容16-17
• 1.5.1 课题来源16
• 1.5.2 研究内容16-17
• 第2章 光纤气体传感原理17-31
• 2.1 引言17
• 2.2 红外光谱17-18
• 2.3 分子光谱18-19
• 2.4 多原子分子光谱19-20
• 2.5 基频、泛频和组合光谱20-21
• 2.6 气体分子的红外吸收理论21-22
• 2.7 甲烷分子的结构及吸收谱线22-26
• 2.7.1 甲烷分子的结构22-23
• 2.7.2 气体分子的吸收线23-24
• 2.7.3 甲烷气体吸收谱线波长的选择24-26
• 2.8 谐波检测原理26-29
• 2.9 本章小结29-31
• 第3章 光纤甲烷气体传感器的设计31-58
• 3.1 引言31
• 3.2 气体检测系统的整体设计31-32
• 3.3 光源的选择32-35
• 3.3.1 发光二极管32-33
• 3.3.2 半导体激光器33-35
• 3.4 光源驱动电路及其温控电路设计35-40
• 3.4.1 光源驱动电路设计35-38
• 3.4.2 光源温控电路设计38-40
• 3.5 光电探测器40-41
• 3.6 信号检测电路41-49
• 3.6.1 正弦波发生电路41-42
• 3.6.2 倍频电路42
• 3.6.3 前置放大电路42-47
• 3.6.4 滤波电路47-49
• 3.7 锁相放大器49-52
• 3.8 气室52-54
• 3.9 数据处理系统54-57
• 3.10 本章小结57-58
• 第4章 光纤甲烷气体传感系统实验58-67
• 4.1 引言58
• 4.2 试验样机58-59
• 4.3 光纤链路损耗实验59-61
• 4.4 系统的灵敏度与分辨力61-62
• 4.4.1 灵敏度61
• 4.4.2 分辨力61-62
• 4.5 气体吸收实验62-63
• 4.6 系统标定实验63-66
• 4.6.1 示值比对实验63-64
• 4.6.2 交叉灵敏度实验64-65
• 4.6.3 重复性实验65
• 4.6.4 稳定度实验65-66
• 4.7 本章小结66-67
• 结论67-68
• 参考文献68-72
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果72-73
• 致谢73-74
• 作者简介74

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