基于多次再入射光学谐振腔的甲烷气体传感器的研究

【摘要】：在我国，煤炭行业中的瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌，目前已成为制约煤矿安全生产的主要矛盾。在煤矿开采过程中，安全方面的隐患正在逐渐增多，瓦斯事故，特别是重大、特大瓦斯事故在煤矿事故中占的比例逐年升高，不容忽视。因此，实时检测甲烷气体(瓦斯的主要成分)的产生源、泄漏源及浓度，对工矿安全运行，人身安全及环境保护有着十分重要的作用。 本文创造性地提出将光谱吸收型传感技术和光学谐振腔理论相结合的设计思路，将吸收光强与气体含量之间的定量关系与多次再入射光学谐振腔理论有机结合起来，设计了基于多次再入射光学谐振腔理论的光学甲烷气体传感器气体吸收腔，以改进甚至可以取代传统光学甲烷气体传感器中因为需要散热而体积庞大的吸收气室。本文设计的新型气体吸收腔，在解决传统气室不宜散热的问题的同时，在很大程度上减小了气体吸收腔体的物理尺寸，而且光学结构简单，稳定性高，检测精度较高，受环境等外界因素影响较小，同时还有具有防电磁干扰，无污染，节约能量等优点。较其他光学甲烷气体传感器而言，该甲烷气体吸收腔的最大特点是体积小，可以达到便携的效果，使光学甲烷气体传感器不只是可以工作在实验室中，也可以在实际外界环境中实时连续检测甲烷气体的浓度。这也是本文的创新点所在。 同时，本文根据比尔—朗伯(Beer-Lamber)定律和甲烷气体的吸收谱线合理选择系统光源，将应用普遍，性能稳定而且价格较为低廉的通信光源LED应用于系统设计中，降低了光学甲烷气体传感器的成本，使本文的设计方案的可行性得到提高；同时也创造性地提出了使用一定中心波长的滤光片来解决因使用宽带光源引起的检测精度下降这一问题的新思路，从而使设计更具有实用性，这也是本文的创新点之一。 最后，本文论证了差分检测理论，将双波长单光路的差分检测方法应用于本文设计方案中，从而消除了由于光源不稳定和光电器件零漂等因素对系统的部分影响，以达到对甲烷气体的更为准确的实时连续检测。 在提出理论设计思路后，本文根据现有的实验环境，对设计系统进行了相关的测试，根据对实验数据的统计与分析，验证了设计的可行性，并且在本文的相关章节给出了实验结果。 【关键词】：甲烷 谐振腔 光谱吸收 LED 滤光片 差分检测
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TP212.2
【目录】：

• 第一章 引言10-21
• §1．1 现有主流甲烷气体传感器分析11-17
• §1．1．1 载体催化法甲烷气体传感器原理及分析11-13
• §1．1．2 光谱吸收法甲烷气体传感器原理及分析13-16
• §1．1．3 现有主流甲烷气体传感器总结16-17
• §1．2 基于光谱吸收法的甲烷气体传感器的研究现状17-19
• §1．3 课题来源、研究内容及研究意义19-21
• §1．3．1 课题来源19
• §1．3．2 研究内容与创新点19
• §1．3．3 研究意义19-21
• 第二章 原理依据21-32
• §2．1 比尔—朗伯(Beer-Lamber)定律21-22
• §2．2 气体分子的典型吸收线22-23
• §2．3 甲烷气体吸收谱线的选择和光源波长的确定23-26
• §2．4 差分检测原理26-31
• §2．5 本章小结31-32
• 第三章 甲烷气体传感器系统设计32-62
• §3．1 光源的选择32-36
• §3．2 光电转换检测输出光信号36-39
• §3．3 差分检测的原理与实现方法39-41
• §3．4 气体吸收腔的原理分析与设计41-61
• §3．4．1 光学谐振腔的一般问题41-42
• §3．4．2 多次再入射光学谐振腔的设计42-61
• §3．5 本章小结61-62
• 第四章 基于多次再入射光学谐振腔原理的甲烷气体传感器的实验研究62-68
• §4．1 引言62
• §4．2 吸收腔的腔长实验62-65
• §4．3 气体浓度与光电检测信关系实验65-68
• 第五章 结论与展望68-71
• 附录A：甲烷气体吸收谱线71-73
• 参考文献73-76
• 攻读硕士学位期间发表的论文76-77
• 致谢77

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